РОССИЙСКОЕ АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОЕ АГЕНТСТВО

ISSN 0540-9691

Е. А. Бадеева, А. В. Гориш, А. Н. Котов, Т. И. Мурашкина, А. Г. Пивкин

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ АМПЛИТУДНЫХ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ

ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ С ОТКРЫТЫМ ОПТИЧЕСКИМ КАНАЛОМ

Под редакцией Гориша А. В. и Мурашкиной Т. И.

Монография

Издательство Московского государственного университета леса Москва - 2004

УДК 682. 2. 082. 5. 001. 63: 682. 2. 082. 5. 001. 63 6Л2 Бадеева Е. А., Гориш А. В., Котов А. Н., Мурашкина Т. И., Пивкин А. Г.

Теоретические основы проектирования амплитудных волоконно- оптических датчиков давления с открытым оптическим каналом: Монография. - М.: МГУЛ, 2004. - 246 с.

ISBN 5-8135-0186-Х

В монографии, изложены основы теории проектирования амплитудных волоконно-оптических датчиков давления с открытым оптическим каналом, представлены современные принципы математического аппарата, применяемого при проектировании этих датчиков, рассмотрены основные принципы действия и типовые конструкции, выведены функции преобразования, даны расчетные соотношения для определения конструктивных и метрологических характеристик, представлены результаты экспериментальных исследований предложенных датчиков давления.

Книга предназначена для широкого круга специалистов, работающих в области конструирования информационно-измерительных устройств, приборов, систем и комплексов для измерения, контроля, управления, диагностики и аварийной защиты различных физических параметров на изделиях авиационной, ракетно-космической, машиностроительной и других отраслей промышленности, для преподавателей ВУЗов, докторантов, студентов, обучающихся по специальностям с применением волоконно- оптических датчиков.

Рецензенты: доктор технических наук, директор-главный конструктор НИКИРЭТ Оленин Ю. А.; кандидат технических наук, старший научный сотрудник ФГУП НИИ физических измерений Папко А.А.

ISBN 5-8135-0186-Х © Е.А. Бадеева, А. В. Гориш, А. Н. Котов, Т. И. Мурашкина, А. Г. Пивкин, 2004 © Московский

государственный университет леса, 2004

3

Сведения об авторах

4

Бадеева Елена Александровна, 1979 г. р. Окончила Пензенский государственный университет. Аспирантка кафедры Приборостроение этого университета. Область научных интересов: волоконно-оптическая техника для измерительных систем и приборов.

Гориш Анатолий Васильевич, 1934 г.р. Окончил Таганрогский радиотехнический институт. Доктор технических наук, профессор, главный ученый секретарь НТС Росавиакосмоса и зав. кафедрой Информационно-измерительные системы Московской академии. Лауреат премий: СМ СССР и Правительства РФ. Заслуженный машиностроитель РФ. Область научных интересов: информационноизмерительная техника, командно-измерительные системы и НКУ КА.

Котов Александр Николаевич, 1947 г.р. Окончил Всесоюзный машиностроительный институт. В 2003 году защитил кандидатскую диссертацию. Начальник отдела Росавиакосмоса. Лауреат премии Правительства РФ. Область научных интересов: волоконно-оптические датчики для измерения телеметрических параметров.

Мурашкина Татьяна Ивановна, 1957 г.р. Окончила Пензенский политехнический институт. Профессор кафедры Приборостроение. Область научных интересов: оптоэлектронные и волоконно- оптические датчики для измерения физических параметров.

Пивкин Александр Григорьевич, 1949 г.р. Окончил Пензенский государственный университет. Генеральный директор ОАО НИИ Вычислительной техники - ООО НИИВТ-РУСИЧИ-ФАРМА, г. Пенза. Область научных интересов: волоконно-оптическая техника для информационно-измерительных систем и вычислительная техника.

5

Список УСЛОВНЫХ сокращений

ВО - волоконно-оптические ОВ - оптическое волокно ВОД - волоконно-оптические датчики ВОССД - волоконно-оптические сети сбора данных ВОК - волоконно-оптический кабель ВВФ - внешний влияющий фактор ФВ - физическая величина ВОП - волоконно-оптический преобразователь ЧЭ - чувствительный элемент БПИ - блок преобразования информации ООВ - отводящее оптическое волокно ПОВ - подводящее оптическое волокно ИИ - источник излучения ПВО - полное внутреннее отражение ВОПД - волоконно-оптический преобразователь давления ВОДД - волоконно-оптические датчики давления ТЗП - теплозащитное покрытие РКТ - ракетно-космическая техника ОЭБ - оптоэлектронный блок ПИ - приемник излучения ОК - оптический канал ОР - оптический разъем ИП - измерительный преобразователь Р - контролируемый параметр ВОИС - волоконно-оптическая измерительная система ОП - оптический переключатель ЗС - зондирующий сигнал СД - светоизлучающий диод СЛД - суперлюминесцентные диоды ЛД - лазерный диод ФД - фотодиод ЛФД - лавинный фотодиод ПЛ - полупроводниковый лазер ЗП - зеркальная поверхность ВОИС - волоконно-оптическая измерительная система СУ - согласующее устройство ЗС - зондирующий сигнал ДД - динамический диапазон ОС - оптический сигнал СХ - световая характеристика ЗОП - зона оптического преобразования

6

ФП - функция преобразования ДА - дифференциальный предельный аттенюатор ВУ - вычитающее устройство ДУ - делительное устройство АВОД - амплитудные ВОД TKЛR - температурный коэффициент линейного расширения ВВТ - вычислительная военная техника ТКМУ - температурный коэффициент модуля упругости ФП - фотоприемник

7

ВВЕДЕНИЕ Современное состояние волоконно-оптического

приборостроения.

В России проводятся работы по созданию и совершенствованию и

различных ВО устройств, систем, их компонентов и технологии изготовления

самих ОВ. Достаточно отработаны и уже широко применяются ВО

телекоммуникационные системы. Ведутся интенсивные разработки в области

создания внутриобъектовых ВОССД, обеспечивающих

более эффективное использование информации о состоянии объекта по

сравнению с традиционными системами сбора и преобразования информации

в условиях воздействия сильных электромагнитных помех и повышенной

искро- и взрывоопасности [19, 92].

Создание и внедрение на отечественных объектах ВОССД

предусматривают разработку определенной компонентной базы и, в первую

очередь, ВОД для измерения, контроля и диагностики различных физических

величин: давления, перемещения, скорости, ускорения, уровня жидкости,

частоты вращения, силы, температуры [28-41, 45-59, 65-86, 92- 95].

Основное преимущество ВОД, применяемых в ВОССД, обусловлено,

прежде всего, их естественной сопрягаемостью с ВО средствами передачи

информации и лучшими возможностями объединения их в ВОССД.

Кроме того, ВОД:

• применяются во взрывоопасной среде ввиду абсолютной искро- и

взрывобезопасности;

• имеют высокую механическую прочность, малые габариты, простую

конструкцию и, соответственно высокую надежность; • химически инертны;

8

• изготавливаются из диэлектрических материалов, чем

обеспечивается отсутствие путей прохождения через них

электрического тока;

• имеют высокую стойкость к повышенным температурам,

механическим ударам, вибрациям и другим воздействиям окружающей

среды; • позволяют производить бесконтактные и дистанционные измерения;

• потребляют малое количество энергии; • сигналы, поступающие от датчиков, позволяют производить простое

мультиплексирование;

• некоторые ВОД позволяют обеспечивать измерения, в которых

электронные устройства либо вообще нельзя применять, либо такое

использование сопровождается значительными трудностями и

затратами, (например, измерение температуры в высоковольтных

электрических аппаратах, в генераторах переменного тока, в

трансформаторах; измерение тока и напряжения в высоковольтных

линиях электропередачи; измерение температуры небольших

поверхностей, имеющих низкую теплопроводность и переменную

отражающую способность; в труднодоступных местах).

ВОД характеризуются обеспечением чрезвычайно высокого уровня

безопасности при эксплуатации. Отсутствие источника электрической

мощности в зоне измерения и замена ее световой энергией с уровнем не выше

1 мВт гарантирует совершенно безопасную работу ВОД в потенциально

пожаро- и взрывоопасных условиях.

Важнейшим достоинством ВОД является невосприимчивость их к

помехам, создаваемым высокочастотными электромагнитными полями и

токами замыкания через землю. Благодаря этому достоинству ВОД возможно

получение большой экономии в области управления технологическими

процессами, поскольку появляется возможность

9

прокладки силовых электрических кабелей и измерительных трасс в единых

каналах. В высоковольтных сетях электропередачи такая невосприимчивость

к помехам дает возможность прокладывать ВО линии передачи информации и

сигнализации параллельно силовым линиям.

Применение ВОД устраняет опасность поражения электрическим током,

поэтому они предпочтительнее электрических датчиков в системах

медицинского назначения.

ВОД позволяют организовывать распределенную систему измерения со

значительными расстояниями (до 1 км) между отдельными устройствами с

передачей данных по единому ВОК.

Пожалуй, самым уникальным свойством ВО принципа преобразования

является его универсальность: на его основе представляется возможность

реализовать ВОД для контроля практически любой физической величины, чего

нельзя сказать о других принципах преобразования [42-44, 60-64, 87-91, 96-

103, 105-117, 128].

Несмотря на неоспоримые преимущества ВОД в настоящее время, когда

техника передачи оптических сигналов по ВО каналам отработана достаточно

хорошо, работы по созданию отечественных ВОД только выходят за рамки

лабораторных исследований, отсутствует минимально необходимая,

отработанная для серийного изготовления номенклатура ВОД, а

разработанные ВОД имеют разные входные и выходные параметры. Они, чаще

всего, рассчитаны на работу в лабораторных условиях и неработоспособны при

воздействии жестких внешних влияющих факторов. Отсутствуют

информационная, параметрическая и конструктивная совместимость ВОД с

ВОССД.

Отсутствие широкой номенклатуры ВОД и недостаточные темпы в

области их разработки являются сдерживающим фактором создания и

внедрения ВОССД. Поэтому существует настоятельная потребность в

быстрейшем создании ВОД различных типов, пригодных для

10

промышленного освоения и сопрягаемых как с традиционными, так и вновь

разрабатываемыми ВОССД систем измерения, контроля, управления,

диагностики, аварийной защиты для различных объектов народного хозяйства.

На рисунке В. 1 представлено соотношение спроса и предложения на

ВОД в России и за рубежом [19]. Нетрудно увидеть отставание отечественных

разработок от мирового уровня и темпов создания ВОД.

Отставание отечественных разработок ВОД объясняется весьма низким

уровнем финансирования этой области и отсутствием

комплексного подхода к решению различных научно-технических проблем.

Некоторая эйфория, развившаяся при появлении первых ВОД, привела к

недооценке технологических трудностей, связанных с необходимостью учета

требований конкретных применений этих устройств. Естественный для этого

этапа энтузиазм проявлялся в упоре на достоинства ВОД и определенном

замалчивании их недостатков. Ощущается недостаток информации

относительно их функциональных возможностей, надежности,

метрологических характеристик, экономических показателей, практической

реализации.

Средства мультиплексирования оптических сигналов пока не могут

считаться конкурентоспособными с традиционными электрическими

средствами, если учитывать стоимость, надежность, гибкость и

совместимость, а также практические наработки в этом направлении. Одной из

главных проблем является дефицит световой энергии для целей модуляции в

том случае, когда она должна «доставляться» большому числу ВОД (больше

чем 10), подключенных к единой ВО магистрали данных. Поэтому

параллельно с разработкой ВОД необходимо проводить работы по созданию

совершенных элементов коммутации оптических сигналов.

11

Оце

нка

12

В настоящее время практически отсутствует стандартизация и

унификация в сфере создания ВОД. В области традиционных датчиков

существует очень высокая степень стандартизации и унификации, в частности,

по входным и выходным параметрам, что делает их взаимозаменяемыми и

совместимыми с различными системами. Что касается ВОД, то вопрос

стандартизации и унификации оптических выходных сигналов и

соединительных устройств находится на низком уровне, что является

существенным недостатком применения и освоения ВОД потенциальными

пользователями.

Крайне низкие затраты на НИОКР для создания ВОД по сравнению с

расходами на электронные устройства.

В то же время, потребность в ВОД различными отраслями достаточно

велика [26]. Наибольшую потребность в ВОД испытывают авиационная,

ракетно-космическая и военная техника [19, 92]. Требуются ВОД

предприятиям металлургической, химической, нефте- и газодобывающей

промышленностей, топливно-энергетического комплекса, заводам

судостроительной отрасли, горного дела, автомобильному транспорту,

медицине и т. д.

Не смотря на это, в настоящее время имеет место недопустимая

недооценка роли ВОД при решении задач исследований, диагностики,

измерения и контроля в различных системах и на различных инженерных

объектах.

Критически настроенные оппоненты ВОД, чаще всего, в своих доводах

обращаются к сравнению метрологических характеристик традиционных

электрических и ВОД, которое пока свидетельствует не в пользу последних.

При этом не учитывается ряд объективных причин, не позволяющий

реализовать потенциальные возможности ВОД.

Во-первых, до настоящего времени отсутствуют ОВ для измерительной

техники, а в ВОД применяются ОВ, разработанные для

13

телекоммуникационных систем, параметры которых отвечают потребности

связи. Это сказывается на метрологических характеристиках ВОД, например,

неинформативные изгибы низкоапертурных ОВ в амплитудных ВОД ведут к

существенному изменению выходного сигнала.

Во-вторых, большинство существующих ОВ рассчитано на работу с

лазерными излучателями, имеющими узкую диаграмму направленности и

высокую когерентность излучения, но они практически не приспособлены к

жестким условиям эксплуатации в составе информационно-измерительных

систем. Разработчики ВОД пытаются взамен лазеров применять более

надежные светодиоды, но при этом из-за широкой диаграммы направленности

излучения последних значительно снижается эффективность ввода света в ОВ

и, соответственно, чувствительность преобразования со всеми вытекающими

последствиями.

В настоящее время известно около 2000 основных типов датчиков и около

60000 серийно выпускаемых моделей, большинство из которых имеет

электрический выходной сигнал [27]. Промышленность произвела огромные

капитальные вложения в существующие датчики, средства их обслуживания,

ремонта, метрологического обеспечения, и это является тормозом к внедрению

новых разработок ВОД. Следовательно, сформировалась объективная

сложность проблемы: заменить устоявшуюся громадную номенклатуру

электрических датчиков волоконно-оптическими и выполнить это без

огромных финансовых вложений на их разработку, производство и внедрение

является достаточно сложной проблемой. Тем не менее, эта задача не считается

невыполнимой. Специалисты считают, что в ближайшие 15...20 лет ВОД

заменят во многих отраслях традиционные датчики.

Выявлены следующие факторы, влияющие на современное состояние в

области разработки и использования ВОД: • разработка ВОД в целом по стране не планируется;

14

• предприятия отдельных отраслей, как оборонных, так и

общепромышленных ведут разработки ВОД практически только

для «своих» изделий под ограниченный перечень задач [49, 55, 65,

67, 71, 76, 77, 92-94];

• работы по созданию ВОД родственных предприятий различных

отраслей не координируются, ведутся без обмена опытом и

информацией;

• при постановке новых задач разрабатываются новые датчики,

нередко с «нулевого» задела;

• предприятия, как правило, руководствуясь сиюминутными

доходами, не заинтересованы в проведении широкоплановых

комплексных исследований по созданию новых типов

унифицированных ВОД.

Перечисленные причины неизбежно ведут к распылению

интеллектуальных, научно-технологических и материальных ресурсов и, как

правило, к низкому качеству разработок. В подобной ситуации целесообразно

обратить внимание на опыт зарубежных фирм [28, 32, 118- 126], выпускающих

датчики, которые не стремятся установить рекорды по точности, а добиваются

максимального удовлетворения потребностей различных пользователей

ограниченным числом типовых конструктивных решений при увеличении

объема их выпуска и соответствующем снижении их стоимости.

Преодоление существующих проблем - основная задача создания ВОД.

Исключение критического отставания от мирового уровня, наметившегося в

последнее время в области создания отечественных ВОД, является актуальной

задачей, решению которой посвящается представленная монография.

На начальном этапе необходимо сконцентрировать усилия на разработке

простых в освоении и с точки зрения конструктивных и

15

технологических решений ВОД, действующих на принципе модуляции

интенсивности излучения, а также на достаточно простых дифференциальных

измерительных схемах.

Требования к ВОД, их конструктивные особенности, технические

характеристики и стоимость во многом связаны с областями их применения. В

принципах действия ВОД для различных областей много общего, поэтому

базовые конструкции должны быть однотипными. Но ввиду того, что

конкретные условия применения сильно отличаются друг от друга, а

различные системы имеют свои параметры сопряжений, ВОД для серийного

производства должны иметь индивидуально адаптированную конструкцию и

определенные уровни технических характеристик, отвечающие

эксплуатационным требованиям и стоимостным ограничениям.

Когда речь идет о создании целого класса датчиков, представляется

целесообразным рассматривать не предельные значения ФВ, а обобщенные, то

есть встречающиеся в ТЗ заказчиков наиболее часто. Такой подход

представляется наиболее верным, так как исключает неоправданное

усложнение типовых технических решений ВОД. В то же время для более

жестких условий применения на базе типовых решений возможно создание

ВОД с некоторой унификацией конструктивных и схемных решений. В виду

того, что в ближайшие 5...10 лет трудно ожидать появления на рынке

конкурентоспособных достаточно полных семейств ВОД представляется

целесообразным пройти через некоторый промежуточный этап адаптации

разрабатываемых ВОД к существующим системам. Это позволит создать

конструкторско-технологические основы конструирования ВОД и довести

отработку новых технических решений до совершенства и перейти к более

сложному этапу создания унифицированных ВОД полностью

интегрированных волоконно- оптических систем.

16

ГЛАВА 1. СТРУКТУРНО-ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ АМПЛИТУДНЫХ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ

В настоящее время существуют обобщённые структурные схемы ВОД с

электрическими и оптическими интерфейсами, на основе которых разработаны

алгоритмы преобразования сигналов в ВОД.

На основе анализа отечественных и зарубежных публикаций [15, 19, 28,

32, 39, 118, 119] разработана и обоснована новая классификация амплитудных

ВОП, которая позволяет обоснованно обеспечивать решение проблемы

стандартизации и в какой-то мере унификации разрабатываемых ВОД. В

основу классификации определено понятие «оптический канал». 1.1. Классификация и принципы действия амплитудных

волоконно-оптических преобразователей.

Вопросам создания и теоретических исследований ВОП и ВОД

посвящено большое количество публикаций, но до настоящего времени не

существует сколько-нибудь полной и признанной классификации ВОП и ВОД.

В настоящее время сложилась классификация по целевому применению

ОВ в следующих 2-х направлениях:

• ВОД, в которых волокно выполняет функцию передачи сигналов;

• ВОД, в которых волокно является ЧЭ [4].

ОВ в первом случае рассматриваются как удобная среда для передачи

оптического сигнала и не рассматриваются как метрологический объект (в

действительности ОВ в датчиках любого типа влияют на метрологические

характеристики ВОД).

На основе вышеуказанной классификации разработано достаточно

большое количество вольных классификаций ВОП и ВОД, затрудняющих

стандартизацию и унификацию новых разработок ВОД. Ниже обосновывается

предложенная авторами классификация амплитудных ВОП.

17

ВОД относятся к средствам неразрушающего контроля, и, в соответствии

с ГОСТ 18353-79, в их реализации существует оптический вид контроля,

основанный на регистрации параметров оптического излучения,

взаимодействующего с контролируемым объектом. В свою очередь, по

характеру физического взаимодействия оптического поля с контролируемым

объектом оптический метод делится по реализации прошедшего, отраженного,

рассеянного, индуцированного и собственного излучения (рис. 1.1).

Состояние отечественной базы оптоэлектроники и волоконной оптики в

настоящее время определило в качестве приоритетного направления создание

ВОД амплитудного типа, в которых полезный эффект достигается изменением

интенсивности оптического излучения в зоне измерений.

Термин «интенсивность света» достаточно часто применяется в оптике,

хотя точно и строго он никогда не определялся и не формулировался. За эту

величину представляется возможным определить как энергетическую

освещенность, так и энергетическую силу света. И та, и другая величины

пропорциональны квадрату амплитуды электромагнитных колебаний в

световой волне. Таким образом, амплитудный метод основан на регистрации

амплитуды оптических волн, взаимодействующих с контролируемым

объектом.

ВОД является оптическим прибором, так как его основная функция

реализуется с помощью оптической системы - совокупности оптических

деталей (оптических волокон, линз, призм и т. д.), отражающих,

преломляющих поверхностей. Ввиду того, что световой поток

«канализируется» по ОВ в зону измерения и обратно, имеет смысл объединить

оптическую систему, подводящие и отводящие оптические волокна под одним

термином - «оптический канал».

18

19

Амплитудные ВОП по типу ОК необходимо распределить на три больших

класса (рис. 1. 2).

1. В ВОП первого класса изменения измеряемой (или

промежуточной) ФВ обуславливают изменения условий распространения

света в разрыве волоконно-оптического канала в зоне измерений [6]. При этом

изменяется интенсивность излучения, проходящего с выхода подводящего

оптического волокна ПОВ 1 на вход отводящего оптического волокна ООВ 2

через зону измерений (рис. 1.2,а).

Эти преобразователи относятся к классу ВОП «с открытым оптическим

каналом».

2. В ВОП второго класса изменения измеряемой (или

промежуточной) ФВ обуславливает изменение условий распространения света

в волоконно-оптическом канале в зоне измерений [2, 12]. В этом случае

изменения геометрических или физических параметров ОВ под действием

измеряемой ФВ ведут к изменению интенсивности излучения, проходящего

через ОВ 2 (рис. 1.2,6). ОК в зоне измерений ВОП второго класса представляет

собой ОВ - часть волоконно-оптического канала.

Эти преобразователи относятся к классу ВОП «с закрытым оптическим

каналом».

3. В ВОП третьего класса изменения измеряемой физической

величины обуславливают изменения параметров излучения

светогенерационных веществ, расположенных в зоне измерений [8]. В этом

случае регистрируется изменение интенсивности излучения, поступающего на

вход ООВ 2 (рис. 1.2,в).

Эти преобразователи относятся к классу ВОП «без внешнего ИИ и

подводящего ОВ».

1. ВОП первого класса представляется возможным распределить на

следующие группы:

20

Рис. 1. 2. Классификация амплитудных волоконно- оптических измерительных преобразователей: а) с открытым ОК; б) с закрытым ОК; в) без внешнего ИИ и подводящего ОВ.

21

1.1. ВОП проходного типа, в которых модуляция интенсивности

оптического сигнала осуществляется благодаря изменению взаимного

расположения ПОВ и ООВ: поперечному, продольному и угловому взаимным

перемещениям их друг относительно друга (таблица 1.1, рис. 1 - 3).

1.2. ВОП отражательного типа (рефлексометрические) [8, 11], в

которых модуляция интенсивности оптического сигнала осуществляется

благодаря изменению положения отражателя, расположенного на пути

светового пучка, в продольном, поперечном и угловом направлениях (таблица

1.1, рис. 4-6)

1.3. ВОП аттенюаторного типа, в которых модуляция интенсивности

оптического сигнала осуществляется благодаря изменению положения

помещенного на его пути ослабляющего оптическую мощность аттенюатора:

в виде непрозрачного экрана, оптического фильтра (таблица 1. 1, рис. 7, 8). К

этой группе целесообразно отнести ВОП, в которых под действием

контролируемой величины изменяется прозрачность среды между

оптическими волокнами, выполняющая в данном случае роль аттенюатора

(таблица

1.1, рис. 9).

1.4. ВОП нефелометрического типа [5], в которых модуляция

интенсивности оптического излучения, проходящего через контролируемый

объект, осуществляется в результате рассеяния на неоднородностях и

пропорциональна числу рассеивающих частиц в единице объема (таблица 1.1,

рис. 10).

1.5. ВОП с нарушением условия полного внутреннего отражения

(ПВО), в которых интенсивность оптического сигнала уменьшается при

нарушении условия ПВО или скачкообразно, если изменяется показатель

преломления внешней среды (таблица 1.1, рис. 11, 13), или в зависимости от

зазора между ОВ и контролируемым объектом (таблица 1. 1, рис. 12)

(туннельный эффект), или в зависимости от величины оптического контак

22

23

Про

долж

ение

табл

ицы

1. 1

.

24

Про

долж

ение

табл

ицы

1.1

.

25

26

27

28

29

та между ОВ и контролируемым объектом (таблица 1. 1, рис. 14) [3, 12, 16,

20].

2. ВОП второго класса целесообразно распределить на следующие

типы:

2.1. ВОП изгибного типа, в которых модуляция интенсивности

оптического сигнала происходит при прохождении его по изогнутому ОВ с

переменным в зависимости от контролируемой величины радиусом (таблица

1.1, рис. 15) [12].

2.2. ВОП микроизгибного типа, представляющие собой разновидность

предыдущей группы, но в виду того, что первые применяются чаще как

сигнализаторы (у них релейная характеристика), а вторые - для измерения

текущего значения контролируемой величины, целесообразно их выделить в

отдельную группу. Основное конструктивное отличие - наличие нескольких

изгибов волокна, радиус которых сравним с диаметром волокна (таблица 1.1,

рис. 16) [16].

2.3. ВОП рефрактометрического типа [26], в которых модуляция

интенсивности оптического сигнала осуществляется за счет изменения

коэффициента преломления оболочки ОВ (таблица 1.1, рис. 17). Например, для

измерения температуры оболочки выбирается небольшой участок оболочки, на

место которой напыляется температурозависимое покрытие, меняющее свой

коэффициент преломления в зависимости от контролируемой температуры.

2.4. ВОП поглощающего типа, в которых модуляция интенсивности

оптического сигнала осуществляется за счет изменения прозрачности материала

сердечника ОВ (таблица 1.1, рис. 18). Например, в простейших дозиметрах

гамма-радиация вызывает образование в стеклах, окрашенных в темный цвет,

так называемых F-центров, поглощающих проходящее по ОВ излучение.

3. ВОП третьего класса целесообразно распределить на:

30

3.1. ΒΟП светогенерационные, в которых интенсивность светового

сигнала в узком диапазоне длин волн зависит от контролируемой физической

величины (таблица 1.1, рис. 19) [19, 30].

3.2. ВОП пирометрические, принцип действия которых основан на

регистрации изменения интенсивности инфракрасного излучения тела при

изменении его температуры (таблица 1.1, рис. 20) [3].

3.3. ВОП спектрально-флуоресцентные, принцип действия которых

заключается в регистрации интенсивности спектральных линий

флуоресцентных веществ (таблица 1.1, рис. 21) [30].

В таблице 1. 2 приведены наиболее применяемые и рекомендуемые

принципы преобразования интенсивности оптического сигнала в амплитудных

ВОП. Из рассмотрения вышеуказанного списка ВОП следует отметить, что

универсальными принципами действия измерительных преобразователей ВОД

являются явления отражения, прерывания (гашения), преломления света. Но в

зависимости от решаемой задачи разнообразие принципов действия ВОП

значительно ограничивается.

Таблица 1. 2. Измеряемая ФВ

Принцип действия измерительного преобразователя давление, сила, виброперемещение, ускорение, скорость

отражение (в т. ч. туннельный эффект), прерывание, преломление света, микро изгибные и из- гибные потери

перемещение: линейное и угловое отражение, поглощение, гашение света частота вращения отражение, прерывание света уровень жидкости отражение, прерывание, преломление света,

нарушение условия ПВО деформация, крутящий момент микроизгибные и изгибные потери унос теплозащитного покрытия (ТЗП), наличие пламени

регистрация излучения внешнего источника

температура

отражение, прерывание света, изменение интенсивности излучения тела, флуоресценция, вибрация излучения черного тела, применение кристалла полупроводника в качестве аттенюатора

состав газовых сред регистрация изменений спектра поглощения газа, рассеянное излучение, поглощение в веществе, изменение коэффициента поглощения вещества

γ-радиация поглощение излучения на окрашенных F- центрах

31

В случае для измерения или контроля давления на объектах авиационной,

ракетно-космической и машиностроительной техники целесообразно

применять явления отражения, прерывания, преломления. Применение

принципов действия, связанных с изменением геометрических параметров ОВ

нецелесообразно, так как ведет к снижению надежности датчиков (см. п. 3. 2).

Таким образом необходимо отметить, что несмотря на кажущееся

многообразие принципов построения ВОП, для реализации их в конструктивное

исполнение ВОД весьма ограничен.

С целью унификации схемно-конструктивных решений и ограничения

номенклатуры ВОДД для различных изделий рекомендуется реализация

явлений отражения, прерывания, преломления в разрабатываемых ВОДД.

Следует отметить, что перечисленные принципы преобразования, как будет

показано ниже, наиболее просты и доступны при физической реализации

технических решений ВОДД.

1. 2. Особенности конструирования амплитудных волоконно- оптических датчиков давления.

По виду входных и выходных сигналов интерфейса, соединяющего

датчики с внешней регистрирующей аппаратурой, ВОДД необходимо разделить

на два типа: с электрическим и оптическим интерфейсами. В первом случае

ВОДД состоит из ВОП и ОЭБ (рис. 1.3). Входные и выходные сигналы такого

датчика электрические. Во втором случае ВОД представляет собой собственно

ВОП, входные и выходные сигналы которого оптические.

а)

ВОП состоит из ИП и волоконно-оптического кабеля, который

представляет собой жгут ПОВ и ООВ оптических волокон. ОЭБ состоит из ИИ

и ПИ, выполняющих функцию электрооптического и фотоэлектрического

преобразователей соответственно. Для эффективной передачи светового потока

от ИИ к ПОВ и от ООВ к ПИ вводятся узлы юстировки УЮ1 и УЮ2. Если в

узлах юстировки отсутствуют подвижные элементы для юстировки, то они

выполняют роль стыковочных элементов, которые являются ОР.

В оптических ВОДД в соответствии с ГОСТ Р В 50899-96 [9] концы

передающих и отводящих волокон ВОК оконцованы стандартными розе

точными частями разъемных оптических соединителей. Поэтому на блок-

схеме они обозначены как оптические разъемы ОР1 и ОР2 (см. рис. 1. 3, 6).

32

б) Рис. 1. 3. Структурная схема ВОД: а) с электрическим входом и выходом, б

оптическим входом и выходом.

33

Принцип действия ВОДД заключается в следующем: электрический

сигнал Uп, поступающий на вход ОЭБ датчика, преобразуется с помощью

электрооптического преобразователя ИИ в оптический сигнал Ф, часть

которого Ф0 поступает на вход ВОК через посредство узла юстировки УЮ1.

По ПОВ световой поток передается в зону измерения ИП, где его

интенсивность Ф0 изменяется под действием измеряемого давления Р. Часть

светового потока ФИП(Р), промодулированного в функции контролируемого

параметра Р, поступает в ООВ, передается по ним через посредство узла

юстировки УЮ2 к ПИ, где происходит фотоэлектрическое преобразование. С

выхода ОЭБ снимается электрический сигнал I(Р). Таким образом, происходят

следующие преобразования:

Модель функции преобразования электрического ВОДД представляет

собой зависимость тока приемника излучения I от контролируемого давления

Р и множества внешних факторов ξi:

I(P, ξi)=PИИ (λ)Ф(P, ξi)SПИ,

где Рии - мощность светового потока ИИ; η(λ) - коэффициент спектрального

согласования элементов ВОДД; Φ(Ρ, ξi) - функция преобразования ВОП; Sпи

- интегральная токовая чувствительность ПИ.

В оптическом ВОД, в отличие от электрического, отсутствует ОЭБ, а

также потери светового потока в оптических разъемах, так как они являются

конструктивным элементом ВОК, не вносящим потери.

На вход датчика поступает оптический сигнал Ф0 от внешнего

устройства, и с выхода снимается также оптический сигнал Ф(Р),

интенсивность которого пропорциональна измеряемому давлению Р.

(1. 1)

34

Здесь происходят следующие преобразования:

где КИС(ξi), КСП(ξi) - коэффициенты передач трактов «ИИ - ПОВ» и «ООВ - ПИ»

соответственно; ΚИΠ(Ρ, ξi) - функция преобразования ИП.

Общий вид функции преобразования ВОДД с достаточной степенью

точности может быть получен на основе законов геометрической оптики.

Значения коэффициентов КИС, КСП зависят от типа выбранных ИИ и ПИ, типа,

количества и взаимного расположения ОВ в ВОК, а коэффициент Кип, кроме

того, зависит от способа модуляции светового потока в зоне измерения.

1.3. Входные и выходные параметры амплитудных волоконно-оптических датчиков давления.

Подключение АВОДД и их взаимодействие с остальными

функциональными элементами волоконно-оптических измерительных систем

должно осуществляться через стандартный интерфейс, представляющий собой

совокупность унифицированных аппаратурных и конструктивных средств,

обеспечивающих информационную, параметрическую и конструктивную

совместимость элементов ВОИС. Поэтому необходимым условием внедрения

АВОДД является стандартизация и унификация их вход-

В общем случае функция преобразования ВОП:

35

ных и выходных параметров. Для этого необходимо определить, какие потери

оптической мощности вносят отдельные компоненты ВОИС (рис. 1. 4).

Основной вклад в энергетические потери системы вносят: • узлы ввода оптического излучения ИИ в ОВ и из ОВ в ПИ;

• неоднородности в точках деления-объединения (сварки, склейки)

оптической мощности в разветвителях и переключателях; • затухание излучения в ОВ в оптическом кабеле;

• потери на стыках «разъем-разъем» в оптических разъемах;

• информативные и неинформативные потери оптической мощности в

измерительном преобразователе.

Очевидно, что для определения входных и выходных параметров АВОДД

необходимо знать минимально необходимую вводимую в систему оптическую

мощность, которая определяется мощностью ИИ, порогом чувствительности

ПИ, потерями в узлах соединения ИИ и ПИ с ОВ, потерями в самом волокне,

соединителях и разветвителях и других элементах оптической схемы. При этом

на первый план выдвигаются проблемные вопросы выбора элементной базы

отдельных структурных единиц ВОИС.

С целью стандартизации и унификации технических решений ВОДД

целесообразно на объекте объединять в систему датчики одного типа или

применять звездообразную структуру системы, когда каждая ветвь сети

представляет собой совокупность датчиков одного типа, а в центре системы

находятся коммуникационные элементы, обеспечивающие связь ВОДД с

системой обработки информации.

При проведении энергетического расчета системы, необходимого для

определения входных и выходных параметров ВОД, учитываются оптические

потери, вносимые элементами системы.

36

37

В качестве примера рассмотрим участок ВОИС с временным

мультиплексированием и датчиками давления отражательного типа (рис. 1. 5).

Сигнал от ИИ до ИП проходит через оптический разъем ОР1,

представляющий собой стык «розетка-вилка» (первый узел юстировки). В

розетке закреплен излучающий торец ИИ, вилкой оконцовано оптическое

волокно ОВ1. Разъем ОР1 вносит потери η1, оптическое волокно ОВ1 - η2· По

ОВ1 оптический сигнал поступает в разветвитель Р, где световой поток с

выхода ОВ1 распределяется на N оптических волокон в равных долях. В

системе используется N ИП, соответственно количество разветв

лений равно (Ν-1). Каждое разветвление вносит потери

ческий сигнал по соответствующему OB ВОК1,

вносящему потери η4/Ν, через оптический разъем ОР2, вносящему потери η7,

поступает в зону измерения ИП, где вносятся информативные и

неинформативные потери η6 Из зоны измерений сигнал проходит обратный

путь через оптический разъем ОРЗ, вносящий потери η7) ОВ кабеля ВОК2 с

потерями η8/Ν, переключатель (соединитель) ОП, каждый узел сварки

которого вносит потери

. Затем по ОВ2, вносящему потери η11, сигнал через ОР4 поступает на

ПИ. Разъем ОР представляет собой стык «вилка-розетка» (второй узел

юстировки), причем вилкой оконцовано ОВ2, а в розетке закреплен приемный

торец ПИ.

Далее опти-

38

ИИ - источник излучения, ПИ - приемник излучения, ИП - измерительный преобразователь, ОР - оптический разъем, ОВ - оптическое волокно, ВОК - волоконно-оптический кабель, Р - оптический разветвитель, ОП - оптический переключатель.

В таблице 1. 3 приведены приблизительные значения потерь, вносимых

каждым элементом участка ВОИС.

Суммарные потери определятся как

η∑=η1+η2+η3+η4+η5+η6+η7+η8+η9+η10+η11

где (η2+ηιο+η4Ν+η8Ν) - потери на всем участке ВОССД в ОВ.

Длина оптических волокон OB 1 и ОВ2 ничтожно мала (не более 1 м),

поэтому можно допустить, что η2≈ η10 ≈0 тогда потери в ОВ составят

(η4+η8)Ν = (0, 02... 0, 04) N дБ.

Повторяется N раз

Рис. 1. 5. Расчетная схема участка ВОИС с амплитудными ВОДД.

39

Значительны потери в ОР1, так как здесь осуществляется ввод пучков

света ИИ, апертурный угол которых намного превосходит апертурный угол

ОВ. Здесь потери оцениваются в 10... 11 дБ. Потери в оптических

Потери, вносимые элементами ВОССД.

разъемах ОР2 и ОР4 значительно меньше η5≈η11≈η7≈1... 2 дБ. Тогда

η5≈η11≈η7≈3... 6 дБ.

По экспертным оценкам в точках сварки оптических соединителей и

разветвителей потери составляют 0, 5... 0, 7 и 2 дБ соответственно. Ввиду того,

что количество точек разветвления (объединения) равно (Ν-1), соответственно

суммарные потери в них составят

Таблица 1. 3. Потери Количество Суммарные

Элемент (затухание на элементов потери

1 элемент), в тракте, (затухание), дБ шт. дБ Оптический разъем ОР1 (ввод излучения от ИИ в ОВ)

10-11 1 η1=10-11

Волоконно-оптический

0, 1-0, 4 дБ/км 0, 1 χ2Ν (км) η2+η10+ бель ВОК, в том числе +η4Ν+η8Ν= OB1, ВОК1, ВОК2, ОВ2 =(0, 02-0, 04)Ν (длина одиночного опти при условии, что ческого волокна 100 м) η2≈η10≈0

Оптические разъемы ОР2, ОРЗ, ОР4 (ввод излучения от ВОК1 в ИП и от ОВ2 в

1-2 3

η5+η7+η11 = 3-6

ПИ) Разветвитель Р (потери на разветвление)

2 Ν-1 η3 = 2(Ν-1)

Соединитель С (потери в точках соединения)

0, 5-0, 7 Ν-1 η9 = (0, 5-0, 7)χχ(Ν-1)

Измерительный преобра 5-7 N η6Ν=(5-7)Ν зователь ИП (с учетом по (непрерывно

терь на ввод излучения из го типа) (непрерывного типа) зоны измерения в ОР2) 7-10 (7-10)Ν

(релейного (релейного типа) типа)

40

η3=2(Ν-1) дБ, η9=(0, 5-0, 7)(Ν-1) дБ.

Используя данные таблицы 1.3, имеем:

ηΣmin≈10(N+1) дБ, η9=(0, 5-0, 7)(N-1) дБ.

Суммарные потери в оптических трактах в зависимости от количества

разветвлений N приведены в таблице 1. 4.

Чувствительность отечественных ПИ лежит в пределах от минус 38 до

минус 56 дБ. При использовании ПИ с чувствительностью около 45 дБ

(минимально обнаружимая мощность 50 мВт) вводимая в волокно для

надежной работы ВОИС оптическая мощность должна составлять минус 5 дБ.

С учетом потерь в линии (см. таблица 1. 3) минимальная оптическая

мощность ИИ должна составить 0, 63 мВт.

По аналогии с электрическим интерфейсом традиционных датчиков

оптический интерфейс обеспечивается стандартизацией параметров

оптического сигнала [9].

Таблица 1. 4. N, шт. ηΣ, дБ

1 20-26 2 30-39

3 40-52

4 50-65

41

Требования к амплитудным ВОП, объединяемым в ВОССД.

Ниже приведены стандартизируемые параметры оптических сигналов на

входе и выходе амплитудных ИП ВОДД, оговоренные в ГОСТ Р В 50899-96

«Сети сбора данных волоконно-оптические на основе волоконно- оптических

датчиков. Общие технические требования» [9]:

1. Зондирующие сигналы, поступающие на вход ИП, должны иметь

импульсную форму с длительностью импульса по уровню 0, 5 равной (100 ±

3)∙10-9 с.

2. Длительность фронта и среза импульса ЗС должна быть не более (20

± 3)∙10-9 с (т.е. не более 20% от длительности импульса).

3. Средняя мощность в импульсе ЗС, поступающих на вход ИП,

должна быть не менее минус 20 дБм.

4. Сигнал отклика ИП должен иметь импульсную форму с

временными параметрами, соответствующими требованиям п. п. 2.

5. Средняя мощность в импульсе сигналов отклика ИП непрерывного

действия в момент наибольшего пропускания (отражения, рассеяния) должна

быть не менее минус 25 дБм.

6. Средняя мощность в импульсе сигнала отклика ИП релейного

действия до срабатывания должна быть не менее минус 20 дБм и не более

минус 30 дБм после срабатывания.

7. Оптические потери непосредственно в самом ИП ВОДД в

состоянии наибольшего пропускания (отражения, рассеяния) должны быть не

более (5...7) дБ для ИП непрерывного действия, (7...10) дБ для ИП релейного

действия (рис. 1. 6).

8. ДД изменения вносимых оптических потерь в ИП ВОД под

действием измеряемых ФВ должен быть не менее 5 дБ для ВОД непрерывного

действия и не менее 10 дБ для ВОД релейного действия (со скачкообразным

изменением вносимого затухания) (см. рис. 1. 6).

42

9. ИП должны быть физически реализованы в виде отдельного

устройства в корпусе, имеющем оптические выводы.

10. Оптические выводы ИП должны быть выполнены в виде отрезков

ОВ длиной, оговариваемой в условиях заказа, но не более 10 м.

11. Оптические выводы ИП должны быть оконцованы

кабельными розеточными частями разъемных оптических соединений.

12. Типы ОВ, которые должны применяться в качестве выводов ИП, и

их характеристики должны соответствовать приведенным в таблице 1. 5.

1.3. Обоснование выбора компонентной базы амплитудных волоконно-оптических датчиков давления.

Определяющее значение для характеристик ВОДД имеет тип ОВ.

Одномодовые ОВ существенно более широкополосны, хорошо сочетаются с

интегральной оптикой и когерентными методами приема и обработки ОС.

Однако вся эта техника сложна, дорога и в значительной части находится

на стадии лабораторных исследований. Элементная база ВОДД на основе

многомодовых ОВ существенно дешевле, достаточно освоена в производстве,

получила практическую апробацию в реальных датчиках и сетях.

Многомодовые ОВ хорошо сопрягаются с ИИ и ПИ.

Общие требования к источникам излучения для ВОДД можно

сформулировать следующим образом:

• длина волны излучения ИИ должна совпадать с одним из минимумов

спектральных потерь оптических волокон;

• конструкция ИИ должна обеспечивать достаточно высокую мощность

выходного излучения и эффективный ввод его в ОВ;

• источник должен иметь высокую надежность и большой срок

службы;

43

Рис. 1.6. Допустимое распределение средней мощности в импульсе сигналов волоконно-оптического преобразователя: а) релейного типа, б) непрерывного

типа.

44

Характеристики ОВ, используемых в ВОДД амплитудного типа.

• габаритные размеры, масса и потребляемая мощность должны быть

минимальными.

• его долговечность должна превышать общую продолжительность

эксплуатации датчика;

• ИИ должен сохранять работоспособность во всем интервале рабочих

температур.

Спектральный диапазон излучателя следует выбирать из условия

минимального поглощения света материалом оптического волокна. Для

Таблица 1. 5. Типы ОВ Наименование характеристик ОВ,

размерность Значения

характеристик ОВ Кварцевые многомодо- Диаметр сердцевины, мкм 50±3 вые 1-го класса Диаметр оболочки, мкм 125±3 Числовая апертура Коэффициент

затухания, 0, 2±0, 002

дБ/км, не более Полоса пропускания,

3, 0

Мгц∙км, не менее 300 Рабочие длины волн, мкм 0, 85±0, 05

1, 30±0, 05

Кварцевые многомодо Диаметр сердцевины, мкм 100±3 вые 2-го класса Диаметр оболочки, мкм 140±4 Числовая апертура 0, 25±0, 02 Коэффициент затухания, дБ/км, не более 5, 0

150 Полоса пропускания, МГц∙км, не менее 0, 9+0, 15

Многомодовые для сре Рабочие длины волн, мкм

1, 3±0, 15 днего ИК-диапазона Диаметр сердцевины, мкм 200±10 Диаметр оболочки, мкм 280±30 Числовая апертура Коэффициент

затухания, 0, 3±0, 03

дБ/км, не более Полоса пропускания,

8-10

Мгц∙км, не менее 200 Рабочие длины волн, мкм 0, 8 - 10

45

обычных стекол можно применять излучатели видимого спектра. Однако

существующие миниатюрные излучатели видимого спектра излучения имеют

небольшую мощность излучения или недостаточную долговечность. Поэтому

наиболее предпочтительными для использования являются источники

инфракрасного излучения, имеющие небольшие габариты и высокую

мощность излучения. В качестве ИИ в многомодовых ВОИС применяются

светоизлучающие диоды, суперлюминесцентные диоды и лазерные диоды.

В таблице 1. 6 приведены обобщенные технические характеристики

отечественных СД, СЛД и ЛД.

Высокую мощность излучения имеют ЛД на длине волны измерения

λ=0,81...1,0 мкм, λ = 1, 3...1,55 мкм. Лазерные ИИ обеспечивают узкий

спектр излучения, малую расходимость пучка излучения и концентрацию в

нем большой мощности, высокое быстродействие. Например, излучатель типа

ИЛПН-115 вводит в ОВ излучение мощностью 30 мВт на длине волны

0,81...0,89 мкм.

ЛД и СЛД, имея большие мощности излучения, вводимые в ОВ,

проигрывают СД по надежности и стоимости. Имеется возможность увеличить

мощность, вводимую в ОВ, до 1-2 мВт за счет использования ОВ с диаметром

сердцевины 200... 280 мкм.

Ввиду того, что на объектах авиационной и ракетно-космической техники

надежность системы и, соответственно, всех ее компонентов является

важнейшим требованием, очевидно явное преимущество СД. Поэтому

Таблица 1. 6. Технические характеристики СД СЛД ЛД

Мощность излучения, мВт 0, 1-3, 0 (макс. 10) 10 5-40 (макс. 100)

Излучаемая мощность (в оптическом волокне 50 мкм), мВт

0, 01-0, 02 0, 1 1-3

Длина волны излучения, мкм 0, 8-1, 3 0, 8-1, 0 1, 3-1, 55

0, 8-1, 0 1, 3-1, 55

Минимальная наработка, тыс. ч 20-50 5-15 5 Стоимость, отн. ед. 0, 05-0, 1 0, 15-0, 2 0, 5-1

46

многие технические решения разрабатываемых базовых вариантов ВОДД для

ВОИС предполагали использование в качестве ИИ серийно изготавливаемых

СД.

Назначение приемника излучения в волоконно-оптическом датчике

состоит в преобразовании оптического сигнала в электрический, который

затем усиливается и обрабатывается в электронных схемах.

Выбор ПИ необходимо проводить из условия максимального

согласования его спектральной характеристики со спектральной

характеристикой ИИ.

Кроме этого, ПИ, используемые в ВОССД, должны отвечать следующим

требованиям: быть надежными, иметь высокую чувствительность в рабочем

диапазоне длин волн (не ниже 45 дБ), большое быстродействие, низкий

уровень вносимых шумов, малые массу и габариты, точно воспроизводить

форму принимаемого сигнала. Наиболее надежными в жестких условиях

эксплуатации являются полупроводниковые фотодиоды, которые в

наибольшей степени удовлетворяют всем вышеперечисленным требованиям

[19].

На сегодня выпускаются ФД двух типов: p-i-n и лавинные. P-i-n- диоды

используют при достаточной оптической мощности поступающих сигналов.

При малой мощности входного оптического сигнала используют лавинные

ФД. По сравнению с p-i-n-диодами у лавинных значительно более высокое

напряжение смещения (таблица 1.7) и более сложная структура. Поскольку

процесс лавинного умножения является статистическим, появляется

добавочный шум. Кроме того, чтобы сделать коэффициент лавинного

умножения более постоянным, необходимо прибегать к стабилизации

температуры и питающего напряжения. Серийно изготавливаемые р- i-n- и

лавинные ФД на основе Si являются почти идеальными ПИ, однако их СХ

ограничена диапазоном 0,5-1,0 мкм. Для спектрального диапазона

1,1.. .1,6 мкм применяются германиевые ЛФД, а также p-i-n и ЛФД на ос-

47

нове JnGaAs, GaAlSb, JnGaAsP. Более простые и дешевые, но менее

чувствительные p-i-n-диоды применяются, главным образом, в системах, где

оптический сигнал передается на короткие расстояния до 100 м, в противном

случае целесообразно использовать более сложные и чувствительные ЛФД. В

таблице 1. 7 приведены обобщенные технические характеристики

отечественных ФД.

Основным требованием при выборе ПИ является соответствие его

спектральной характеристики спектральной характеристике излучателя. В

качестве примера на рис. 1. 7 приведены спектральные характеристики

инфракрасного светодиода ЗЛ1107Б и фотодиодов КФДМ и ФД-19КК. Анализ

данных характеристик показал, что спектральный диапазон фотодиода ФД-

19КК частично совпадает со спектром светодиода ЗЛ107Б, и коэффициент

спектрального согласования составляет η(λ) ≈ 0, 5. Лучшей парой светодиоду

ЗЛ107Б по коэффициенту спектрального согласования можно считать

фотодиод КФДМ, спектральный диапазон чувствительности которого

полностью перекрывает диапазон излучения светодиода ЗЛ119Б. В этом

случае η(λ)≈ 1.

Таблица 1. 7.

Основные параметры ФД 0, 8-0, 9 мкм

ЛФД 0, 8-0, 9 мкм

ФД 1. 1-1, 6 МКМ

ЛФД 1, 1-1, 6 мкм

Квантовая эффективность, % 60-80 70-80 50-70 60 Чувствительность, А/Вт 0, 5-0, 6 0, 5-0, 65 0, 5-0, 65 0, 6-0, 8 Время отклика, нс 0, 3-6, 0 0, 3-6, 0 1, 0 0, 3-0, 8 Полоса частот, Мгц 50-1000 50-1000 3000 1000 Темновой ток, нА 1-3 1-5 10-40 100-500 Емкость диода, пФ 2-10 1, 5-5, 0 0, 3-1, 0 0, 5-5, 0

Материал Si Si InGaAsP, InGaAsP, GaAlSb, GaAlSb, InGaAs. InGaAs.

Рабочее напряжение 5-50 100-200 10-20 20-300

48

Рис. 1. 7. К определению коэффициента спектрального согласования η(λ).

49

ГЛАВА 2. ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ

ДАВЛЕНИЯ

2.1. Параметры оптического канала ВОДД.

Основу измерительных преобразователей АВОДД составляет ОК. Он

служит для обеспечения требуемых энергетических соотношений,

формирования рациональной пространственной структуры пучка света. Его

состояние в процессе воздействия измеряемого давления Р и неизмеряемых

параметров внешней среды ξi определяет достоверность результатов

измерения Υ (рис. 2. 1).

Поэтому необходимо выделить ОК как объект управления, на который

можно целенаправленно воздействовать.

ОК характеризуется следующими конструктивными и оптическими

параметрами, изменение которых обеспечивает требуемое течение

Рис. 2. 1. Оптический канал ВОДД. А - множество значений параметров оптического сигнала на входе; В - множество значений конструктивных параметров ОК; ξi - вектор возмущений; Υ - вектор состояния ОК; Р - измеряемое давление.

50

процесса преобразования в ВОП:

• формой и радиусом кривизны преломляющих и отражающих

поверхностей;

• расстоянием между преломляющими, отражающими,

рассеивающими и поглощающими поверхностями;

• показателями преломления сердцевины и оболочки ОВ и сред,

составляющих оптическую систему; • диаметрами сердечника, оболочки и защитного покрытия ОВ;

• пространственным распределением передающих и приемных

волокон в приемных и излучающих торцах ВОК; • материалами конструктивных элементов ОК (рис. 2. 2).

Рис. 2. 2. Параметры оптического канала ВОДД.

51

К входным параметрам А амплитудного ВОП относятся:

1. Длина волны λ зондирующих сигналов.

2. Вид зондирующих сигналов.

3. Средняя мощность Риз в импульсе зондирующих сигналов, дБм.

4. Порог чувствительности Υпор.

5. Динамический диапазон входных сигналов, дБ.

6. Частотный диапазон f измеряемых физических величин, Гц.

7. Диапазон значений измеряемой ФВ D=Xmax-Xmin.

8. Номинальное значение однозначной меры Хн (для ВОДД релейного

типа).

Конструктивные параметры В представлены на рис. 2. 2.

К выходным параметрам Y амплитудных ВОП относятся:

1. Динамический диапазон изменения вносимых оптических потерь в

ИП, дБ.

2. Номинальная функция преобразования Ф(Х) (для ВОДД релейного

типа - номинальное значение однозначной меры).

3. Глубина модуляции сигналов отклика ИП.

4. Средняя мощность Рио в импульсе сигналов отклика ИП, дБм.

5. Вариация выходного сигнала.

6. Предел допускаемого значения приведенной основной погрешности γ

γ0, %.

7. Предел допускаемого значения приведенной дополнительной

погрешности γ(ξ), %. Измеряемое давление можно отнести к управляющим воздействиям, если

имеется априорная информация о его изменении при протекании некоторого контролируемого процесса. На рис. 2. 3 в качестве примера приведена схема системы управления оптическим каналом ВОДД отражательного типа.

Управляемые элементы ОК условно разделим на две группы:

• параметры первых определяются на этапе разработки

ВОДД и в процессе измерения остаются неизменными;

• параметры вторых изменяются под действием измеряемого

давления Р.

Очевидно, что неизменными остаются схемы расположения ОВ в ВОК,

материалы конструктивных элементов. Параметры остальных элементов могут

изменяться тем или иным образом под непосредственным воздействием

измеряемого давления Р или посредством промежуточных преобразователей.

Управляющие воздействия на ОК посредством управляющих устройств

обеспечивают необходимые энергетические соотношения, формируют

рациональные пространственные структуры пучка лучей в зоне из-

52

Рис. 2. 3. Система управления оптическим каналом ВОДД отражательного типа.

53

мерения. Под рациональной структурой пучка понимается структура,

обеспечивающая требуемые выходные характеристики ВОП, а именно:

высокую чувствительность преобразования сигналов, требуемый

динамический диапазон изменения оптического сигнала в диапазоне

измерения, заданную функциональную зависимость между входными и

выходными сигналами.

В соответствии со структурной схемой датчика (см. рис. 1. 3) изменения

энергетических соотношений и структуры пучка света осуществляются в узлах

юстировки УЮ1 и УЮ2 и измерительном преобразователе. Процесс

управления световым потоком в данных узлах заключается в выборе

оптимальных конструктивно-энергетических соотношений на этапе

проектирования и конструирования, например: определяются количество и

взаимное расположение ОВ в приемном торце ВОК, выбираются типы,

геометрические параметры и соотношения взаимного расположения источника

излучения, ОВ и оптических элементов и т. д.

Узел УЮ1 необходим для ввода в ПОВ светового потока Ф' от ИИ. Узел

УЮ2 необходим для передачи светового потока из зоны измерений по ООВ на

светочувствительную площадку ПИ. И к первому, и ко второму узлам

юстировок предъявляется одно основное требование: передача максимально

возможной мощности излучения, определяемой эффективностями ввода в

ПОВ ηсв и в ПИ ηпи·

Во втором случае данная задача решается достаточно просто, так как

площадь сечения ООВ, как правило, значительно меньше площади

светочувствительных площадок фотодиодов типа КФДМ, ФД256, ФД-19КК и

т. п., используемых в качестве ПИ в современных оптических датчиках.

Практически вся мощность с выхода ООВ попадает на ПИ, т.е. ηпи ≈ 1.

Несколько сложнее обстоит дело с вводом излучения от ИИ в ПОВ (см. п. 2. 2).

54

Управляемые параметры, определяемые на этапе проектирования,

оказывают существенное влияние на результат измерения, так как определяют

характеристики оптического канала. Ошибки на этапе конструирования могут

оказаться трудно исправимыми, потому что проявляются, как правило, только

на этапе экспериментальных отработок и исследований, когда идеи воплощены

в материал, когда затрачены средства и упущено время. Поэтому необходимо

на начальных этапах проектирования выполнить тщательные расчеты по

определению оптимальных параметров оптического канала, остающихся

неизменными в процессе измерения.

2.1. Ввод оптического излучения в оптический канал.

При вводе излучения в ОВ возникают определенные трудности,

обусловленные несогласованностью параметров ИИ и ПОВ.

Количество введенной в ОВ энергии существенно зависит от его

числовой апертуры ΝΑ. Так как ОВ захватывает только те лучи, которые

заключены внутри конуса с максимальным углом ΘΝΑ, то потери на ввод будут

иметь место, если конус излучения ИИ превышает конус, определяемый

числовой апертурой ОВ.

В ВОДД используют чаще всего СД и ПЛ.

Диаграмма направленности излучения серийно выпускаемых СД

отличается неравномерностью по взаимно перпендикулярным осям У и Ζ в

сечении А-А, перпендикулярном продольной оси X (рис. 2. 4, а).

Картина поля в дальней зоне для выходного пучка ПЛ представляет собой

эллипсоид, расширяющийся в направлении, перпендикулярном поверхности р-

n-перехода лазера (рис. 2. 4, в). Угол расходимости светового пучка в

направлении, перпендикулярном поверхности перехода, Θ =

30.. . 60°, а в направлении, параллельном поверхности перехода, ΘII =

55

10...30°. В СД с торцевым излучением в направлениях, лежащих в плоскости

пучка перехода, имеет место расширение пучка излучения в соответствии с

законом Ламберта. В направлениях, перпендикулярных плоскости перехода,

угол излучения сравнительно небольшой (рис. 2. 4, 6).

Диаграммы направленности излучения, создаваемые поверхностью СД

показаны на рис. 2. 5.

Распределение излучения диода поверхностного типа аппроксимируется

распределением по cosΘ (кривая 1), то есть они являются ламбертовскими

источниками. Интенсивность излучения падает приблизительно

Рис. 2. 4. Формы пучка излучения: а) СД с поверхностным излучением, б) полупроводникового лазера. в) СД с торцевым излучением,

56

вдвое при угле 120°. Распределение СД с торцевым излучением

аппроксимируется распределением по (cosΘ)n, то есть более направленное

(кривые 2 и 3). Потери при вводе излучения в ОВ у СД с торцевым излучением

на несколько децибелл меньше, чем у СД с поверхностным излучением (рис.

2. 6).

Непосредственный ввод излучения.

Эффективность ввода излучения при этом может быть определена

непосредственно.

Если площадь поперечного сечения диаграммы направленности ИИ в

плоскости входного торца ОВ меньше или равна площади торца ОВ или жгута

(то есть отсутствует рассогласование по площади), то мощность, введенная в

ОВ, равна

Рис. 2. 5. Угловая диаграмма направленности излучения: 1) светодиода поверхностного типа, 2) электролюминисцентного светодиода с торцевым излучением, 3) светодиода ЭЛ107Б.

(2. 1)

где SИИ - площадь излучающей площадки источника; ку - коэффициент

упаковки; ky = ∑SOB/SЖ, где ∑SOB - суммарная площадь поперечного сечения ОВ

в жгуте; SЖ - площадь сечения всего жгута.

Для случая, когда угловое распределение яркости источника может быть

описано зависимостью B(Θ)=B(cosΘ)n, полная мощность, излучаемая

источником в полусферу, определяется выражением:

или

57

Рис. 2. 6. Расчетные значения потерь при непосредственной связи СД с ОВ:

1) СД с поверхностным излучением, 2) СД с торцевым излучением.

58

Введенная в ОВ мощность излучения равна

или

и для малых значений NA сводится к выражению:

PС=2πSИИkУB[(n+1)/2]NA2.

При соединении с единичным ОВ коэффициент упаковки Ку=1. Таким

образом, коэффициент ввода Кис пропорционален квадрату числовой

апертуры ОВ:

PИС≈kУ[(n+1)/2]NA2. (2. 2)

Поскольку числовая апертура меньше единицы (от 0, 14 до 0, 5), то

значительное количество излучаемой мощности может теряться на входном

соединении.

Ввод излучения с применением линзы.

Полная мощность Рл, собираемая линзой, во входном конусе Ω1 по

аналогии с выражением (2. 1) равна:

где Θл - апертурный угол линзы.

59

Для ИИ с угловым распределением излучения B(0)=B(cos0)n,

или

Для ламбертовского источника полная мощность во входном конусе Ω1,

собираемая линзой, равна:

или

Для тонкой линзы

где V - увеличение линзы; f - фокусное расстояние линзы; dии - диаметр источника излучения; Dл - диаметр линзы.

Фокусировка широконаправленных световых пучков.

Для ИИ с ламбертовской диаграммой направленности при rс/rии ≤ 1 для

обеспечения высокой эффективности ввода излучения в волокно требуется

сферическая линза.

60

Ниже для примера приведен расчет параметров фокусирующей

шарообразной линзы радиуса R с показателем преломления n2, расположенной

между СД с ламбертовской диаграммой направленности и волокном радиуса

rс (рис. 2. 7, а).

Коэффициент передачи kис рассчитывается по формуле:

kис ~ kвх kвых ks,

где kвх, kвых, ks - коэффициенты согласования апертуры ИИ 0ИИ с входной

апертурой линзы ΘЛ вх, выходной апертуры линзы ΘЛ вых с входной апертурой

волокна Θna, площади приемного торца волокна Sc и площади изображения

излучающей площадки Sиз соответственно. Здесь:

(2. 5)

где rс, rиз - радиусы ОВ и изображения ИИ на приемном торце ОВ.

Тогда с учетом выражений (2. 3) - (2. 5):

Из всего излучения ОВ только параксиальные лучи A1 дадут на выходе линзы

параллельный пучок, направленный вдоль оптической оси. Ши-

61

рокоугольное излучение (лучи А2 и А) на выходе линзы даст параллельный

пучок лучей, идущий под некоторым углом к оптической оси.

Этот угол будет увеличиваться по мере удаления периферийных точек

излучателя от оптической оси. Таким образом, размер изображения и уг-

лы, определяющие эффективность ввода излучения СД в ОВ, будут в

основном зависеть от удаления периферийных точек ИИ от оси.

Для ввода максимального количества излучения от ИИ в тело линзы

необходимо выполнить условие Δ ≥ Sf, где А - расстояние от излучающей

Рис. 2. 7. Схема ввода излучения через сферическую линзу: а) единичное ОВ, б) жгут ОВ.

Δ=0, 1 мм, 2R=1 мм, q=2, 5, 0ии=±ЗО°, ΘЛВЫХ=6°, V=5, ширина ИИ - 150 мкм, ширина

изображения - 750 мкм.

62

площадки СД до поверхности линзы, Sf - расстояние от переднего фокуса до

поверхности линзы, определяемое аналитическим выражением

где f' - заднее фокусное расстояние линзы; n1, n2, nз - значения коэффициентов

преломления среды между ИИ и линзой, материала линзы и среды между

линзой и приемным торцом волокна; R - радиус линзы. Максимальное значение

коэффициента квых достигается при

В правильно рассчитанной оптической системе параметры rИЗ, Θлвх, ΘЛ

ВЫХ

должны удовлетворять уравнению Лагранжа, которое для реальных углов

записывается в виде: rИИn1tgΘл = rИЗn3ΘЛВЫХ

Материал, выбираемый для изготовления линз, должен иметь большой

показатель преломления, так как это обеспечивает уменьшение диаметра

светового пятна внутри линзы, увеличение всех составляющих эффективности

ввода излучения в ОВ.

При проектировании и разработке узла юстировки УЮ1 важно не только

достичь ожидаемой величины коэффициента ввода, но и определить влияние

допустимых механических рассогласований на потери в соединении. Насколько

жесткие требования предъявляются к узлу юстировки, можно видеть из

приведенного на рис. 2. 8, а графика роста потерь Пг на ввод излучения в

зависимости от радиального рассогласования Δr ОВ (NA=0, 14) со ступенчатым

профилем и малыми потерями и центра излучающей площадки СД диаметром 50

мкм. Входное соединение крайне

63

чувствительно к радиальному рассогласованию. Для получения потерь меньше 1

дБ это рассогласование должно быть меньше 20 мкм. Несоосность центра ОВ и

центра СД в 50 мкм приводит к увеличению потерь на ввод до 8 дБ.

Влияние разъединения ИИ и ОВ в осевом направлении Δ1 и углового

рассогласования Δφ оси источника относительно оси ОВ на потери Π1 и Πφ при

вводе показано на рис. 2. 8, 6 и в. Эффективность ввода в соединении

сравнительно нечувствительна к разъединению ОВ и СД. Например, увеличение

зазора между СД и ОВ на 150 мкм увеличивает потери в соединении меньше,

чем на 1 дБ, в то время как наклон оси ОВ по отношению к поверхности СД на

угол порядка 10° увеличивает потери примерно на 0, 25 дБ. Эти данные хорошо

согласуются с характерными для ламбертовских ИИ диаграммами

направленности излучения.

Данные, приведенные на рис. 2. 8 свидетельствуют о наибольшей

чувствительности потерь при вводе излучения СД с плоской излучающей

площадкой к радиальному рассовмещению Δr сердцевины ОВ и СД.

64

65

2.3. Распределение светового потока в пространстве волоконно- оптического преобразователя с открытым оптическим каналом.

При проектировании амплитудных ВОДД на первый план выступают

вопросы, связанные с распределением плотности мощности по сечению пучка

света, несущего регистрируемую информацию, характер изменения структуры

излучения в зоне измерения.

Из-за сложности математической формализации до настоящего времени

не удалось получить математическую зависимость распределения яркости на

выходе ОВ и в зоне измерения ВОП с открытым оптическим каналом [3].

Визуальная оценка распределения изображения в виде цветовой или

квазитрехмерной видеограммы [26] позволяет только определить, в каком

направлении необходимо проводить анализ и не позволяет обосновать

оптимальное месторасположение в зоне измерения ВОП, управляющих

устройств (отражающих поверхностей, аттенюаторов), ОВ подводящих и

отводящих и других элементов оптической системы. В то же время для

достижения требуемых метрологических характеристик ВОДД очень важно на

этапе конструирования знать, как распределен в разрыве ОК поток излучения.

Формализованное представление распределения плотности мощности

оптического излучения в пространстве зоны измерения ВОП позволит

определить рациональное местоположение управляющего устройства

относительно рабочих торцов подводящих и отводящих ОВ.

Для этого рассмотрим структуру пучка света, сформированного

излучающим торцом ОВ, подводящего свет в зону измерения.

Известно, что в результате множества отражений внутри ОВ происходят

симметризация пучка лучей относительно оптической оси ОВ и усреднение

освещенности по выходному (излучательному) торцу волокна [19].

66

Симметризация приводит к тому, что узкий конический пучок лучей,

падающий под некоторым углом на входной торец ОВ с прямыми торцами, на

выходе заполняет пространственную зону, ограниченную двумя близкими

коаксиальными поверхностями. Таким образом, в сечении, перпендикулярном

оптической оси, наблюдается кольцевая зона.

Структура пучка света, сформированного излучающим торцом

подводящего свет в зону измерения ОВ, представляет собой совокупность

элементарных параллельных пучков, испускаемых каждой точкой торца ОВ, и

соответственно имеет достаточно сложную структуру. В то же время с

достаточной точностью можно в структуре пучка выделить две области:

внутреннюю I и внешнюю II (рис. 2. 9, а).

Образующие области I (лучи 1 и 2) представляют собой лучи, идущие из

края сердцевины ОВ диаметром dc под апертурным углом ΘΝΑ к оптической

оси и пересекающие ее в точке А на расстоянии LФ=dc/2tgΘNA, которая

называется дистанцией формирования пучка [19].

Область II ограничена снаружи конической поверхностью, образованной

габаритными лучами 3 и 4, идущими из края сердцевины излучающего торца

ОВ под углом ΘΝΑ, а изнутри внутренней конической поверхностью.

Сечение пучка плоскостью В-В, перпендикулярной оптической оси,

имеет соответственно круговую I и кольцевую II зоны (рис. 2. 9, 6).

Энергетическая освещенность ES1 площадки S1 радиусом (rc-XitgΘNA),

создаваемая излучателем в виде круглого диска, в роли которого выступает

параллельный поверхности S1 излучающий торец ОВ с постоянной во всех

направлениях яркостью поверхности Lc, в сечении В-В, расположенном на

расстоянии Xi < ХА от торца ОВ, определяется известной формулой [5]

ES=πLeτ 〖sin〗2β,

67

где τ - коэффициент пропускания среды и оптических элементов; β - угол, под

которым виден излучающий торец ОВ из центра излучающей площадки S]. В соответствии с рис. 2. 9, а для 0< Xi < ХА

β=arctg dc/ 〖2x〗i

Тогда для слабо поглощающих сред (например, воздуха), у которых

τ≈1, освещенность площадки S1 определится выражением

в) в сечении В - В 0 < Хi < Lф

На рис. 2. 9, 6 показано, как изменяется относительное значение

освещенности поверхности S1 в сечении В-В при изменении расстояния Xi от

нее до излучающего торца ОВ.

Если плоскость В-В расположена вблизи излучающего торца ОВ, то

освещенность площадки S1 практически равномерна по всей поверхности. При

увеличении расстояния Xi освещенность поверхности уменьшается в

направлении от оптической оси ОВ к краю поверхности S1. Если освещенность

всей поверхности сечения В-В при Xi равна Е0, то суммарная освещенность ES2

поверхности, расположенной в зоне II, определится как ES2=E0-ES1.

При проектировании ВОП наибольший интерес представляет

распределение освещенности поверхности в сечении А-А (рис. 2. 10). При Xi > Lф энергетическая освещенность ES1 площадки S1 близка к

нулю, тогда ES2≈E0. В этом случае можно также воспользоваться формулой

(2. 6).

Es1 = πLe2sin (arctg dc/2xi). (2. 6)

68

Рис. 2. 9. К расчету облученности поверхности в сечении В - В пучком света, сформированным излучающим торцов ОВ.

69

Если плоскость А-А расположена на расстоянии Xi≈LФ, то освещенность

площадки S2 резко уменьшается в направлении от оптической оси ОВ.

В том случае, когда диаметр зоны I равен диаметру dc сердцевины ОВ (при

Х3), освещенность зоны II равномерна.

Таким образом, в зоне измерений имеются сечения, в которых

освещенность равномерная, и сечения, где освещенность резко уменьшается в

направлении от оптической оси.

Задача управления световым потоком в зоне измерения ВОП с открытым

оптическим каналом состоит в том, чтобы обеспечить необходимые функцию

преобразования Φ(Χ, Υ, Ζ), динамический диапазон изменения оптического

сигнала в диапазоне измерения и глубину модуляции оптического сигнала.

Функция преобразования Φ(Χ, Υ, Ζ) в общем виде для ВОП с открытым

оптическим каналом имеет вид [6]:

Φ(Χ, Υ, Ζ)=Κ(Χ, Υ, Ζ)Φ0,

где Κ(Χ, Υ, Ζ) - коэффициент передачи оптического канала ВОП.

Коэффициент зависит от способа модуляции оптического сигнала в

пространстве зоны измерения, поэтому его назовем модуляционный

пространственный коэффициент.

Очевидно, что, если световой поток Ф0, поступающий в зону измерений,

величина постоянная, т. е. Ф0=const, то поведение функции преобразования

ВОП Φ(Χ, Υ, Ζ) будет оцениваться по поведению модуляционного

пространственного коэффициента Κ(Χ, Υ, Ζ) в диапазоне измерения.

В общем случае данный коэффициент нелинейный и характеризует

вносимое элементом управления затухание светового потока в ОК

амплитудных ВОП.

70

Большинство ВОДД имеют симметричную конструкцию вдоль оси Υ,

поэтому можно записать К(Х, Υ, Ζ) = Κ(Χ, Ζ).

Модуляционный коэффициент К(Х, Ζ) определяется произведением двух

составляющих, первая из которых К(В) характеризует распределение

плотности мощности по сечению пучка света, а вторая K(SOCB) - степень

суммарной освещенности рабочего торца отводящих ОВ (при этом

предполагается, что лучи света, претерпевшие определенные преобразования

в зоне измерений, распространяются вдоль оптической оси датчика в пределах

апертурного угла ΘNΑ оптических волокон):

Κ(Χ, Ζ)= К(В) К(SOCB), (2. 7)

где K(SOCB)= Sпр /SООВ, Sпр - общая площадь освещенной поверхности в

плоскости расположения отводящих OB; SOCB - площадь освещенной

поверхности отводящих ОВ.

в) в сечении А - Ф Xi > Lф

71

Очевидно, для того, чтобы поведение модуляционной функции Κ(Χ, Ζ)

было прогнозируемо и позволяло однозначно определить вид функции

преобразования Φ(Χ, Ζ), необходимо, чтобы коэффициент, характеризующий

распределение освещенности К(В), был равен 1, то есть К(В)=1 (за

исключением случаев, когда разрабатываются датчики релейного типа). Это

возможно в том случае, когда управляющие устройства и отводящие ОВ

расположены в плоскости, где распределение освещенности по сечению,

перпендикулярному оптической оси ВОП, равномерное. Местоположение

данной плоскости необходимо выбирать в соответствии с рекомендациями,

приведенными в п. 2. 4.

Например, если разрабатывается ВОП отражательного типа, когда

подводящие и отводящие ОВ расположены в одной плоскости, необходимо,

чтобы отражающая поверхность располагалась на расстоянии Xmin

относительно них, большем дистанции формирования луча (при Хmin>Lф).

Рис. 2.10. К расчету облученности поверхности в сечении А - А пучком света, сформированным излучающим торцом оптического волокна.

72

Если разрабатываются ВОП аттенюаторного типа, когда подводящие и

отводящие ОВ расположены напротив друг друга, а аттенюатор в виде шторки

- между ними, то данное условие выполняется, если штока и отводящие ОВ

расположены относительно подводящих ОВ на расстоянии Xmin, также

большем дистанции формирования луча Lф (при Xmin>Lф). В частности, если

используются «кварц - кварцевые» волокна с dс=200мкм, ΘΝΑ=12 град, то

Xmin>500 мкм.

Таким образом, формализованное представление распределения

освещенности в зоне измерения позволяет определить рациональное

местоположение управляющего устройства относительно рабочих торцов

подводящих и отводящих ОВ.

2.4. Управление световым потоком в зоне измерений волоконно- оптических преобразователей с открытым оптическим каналом.

2.4.1. Управление световым потоком с помощью отражающих поверхностей.

В ВОДД отражательного типа модуляция оптического сигнала

осуществляется в ВОП за счет перемещения относительно торцов ПОВ и ООВ,

расположенных в одной плоскости, зеркальной поверхности (ЗП) мембраны

при ее прогибе под действием давления.

Так как площадь светового пятна на отражающей поверхности мембраны

ничтожно мала по сравнению с площадью мембраны, то можно с достаточной

точностью считать, что под действием давления освещенная площадка

перемещается перпендикулярно оптической оси ИП вдоль оси X.

Модуляция интенсивности светового потока при помощи плоского

зеркала происходит следующим образом:

Лучи света (на рис. 2. 11, а габаритные лучи 1 и 2) от ПОВ проходят в

прямом направлении путь L(Х)/2 до отражателя и путь L(Х)/2 в обратном

73

направлении до ООВ под апертурным углом ΘΝΑ К оптической оси волокна

(рис. 2. 11, а, в). При этом в плоскости приемного торца ООВ наблюдается

освещенная кольцевая зона шириной h=2rc, внешний радиус которой

RВНЕШ=2XitgΘNA, (2. 8)

где Xi - текущее значение расстояния от ЗП до ВОК, rc - радиус сердцевины ОВ. Возможны три случая:

Ф

первый, когда зеркальная поверхность перемещается вдоль оси X

(параллельно оптической оси ОВ);

второй - вдоль оси Z или Y (перпендикулярно оптической оси ОВ);

третий, когда ЗП перемещается одновременно вдоль осей X и Z или X и Y

(т. е. одновременно параллельно и перпендикулярно оптической оси ОВ).

Рассмотрим случай, когда под действием контролируемого давления ЗП

перемещается относительно общего торца ВОК в направлении X. При этом

изменяется положение кольцевой зоны относительно ООВ в направлении Z,

которое ведет к изменению площади Sпp приемного торца ООВ, освещенной

отраженным от зеркала световым потоком, т. е. Sпр=f(X) (см. рис. 2. 11).

Происходит преобразование:

74

Задача управления световым потоком состоит в том, чтобы обеспечить

необходимые функцию преобразования Ф(Х), динамический диапазон

изменения оптического сигнала в диапазоне измерения и глубину модуляции

оптического сигнала.

Рис. 2. 11. Управление световым потоком с помощью зеркала.

75

Функция преобразования Ф(Х) имеет вид:

Ф(Х)=К(Х)Ф0,

где К(Х) - коэффициент передачи тракта «ПОВ - зеркальная отражающая

поверхность - ООВ»; Ф0- световой поток, введенный в зону измерения.

Очевидно, что при Φ0=const поведение функции преобразования Ф(Х)

будет оцениваться по поведению коэффициента К(Х) в диапазоне измерения.

Рассмотрим, каким образом можно управлять поведением функции

преобразования K=f(X) (см. геометрические построения на рис. 2. 11). Имеем:

где р - коэффициент отражения ЗП; ∑Snp - суммарная площадь приемных

торцов ООВ, освещенная отраженным от зеркала световым потоком; i=l... к -

количество ООВ; SK - площадь кольцевой зоны в плоскости приемных торцов

ООВ;

где RВНЕШ, R-ВНУТ - внешний и внутренний диаметры кольцевой освещенной зоны в

плоскости ООВ;

(2. 10)

Подставив выражения (2. 8) и (2. 10) в (2. 9), получим:

(2. 11)

76

Sпр представляет собой площадь, образованную взаимным пересечением двух

кругов радиусами rс и R, причем

SПP=S1 +S2. (2. 12)

Площади S1 и S2 представляют собой круговые сектора, образованные

взаимным пересечением двух окружностей: диаметром, равным диаметру 2rс

сердцевины ОВ, и диаметром 2R, равным внешнему диаметру освещенной

круговой зоны, образованной отраженными лучами в плоскости общего торца

ОВ, и хорды АВ длиной а. В соответствии с рис. 2. 11 имеем:

Тогда с учетом выражений (2. 13) - (2. 16) выражение (2. 12) примет вид:

В соответствии с рис. 2. 11, в имеем:

77

где D=00\

Из треугольника АО’С

Коэффициент преобразования К(Х) с учетом выражений (2. 11) и

(2.17) примет вид:

В данном случае а и R являются переменными, зависящими от расстояния

Xi от торца ОВ до зеркальной отражающей поверхности, расстояния D между

оптическими осями ПОВ и ООВ, а также расстояния Х0.

2. 4.2. Управление световым потоком при помощи аттенюаторов.

Оптические аттенюаторы предназначены для внесения в ОК заданного

оптического затухания.

Действие аттенюаторов в ВОДД с открытым ОК основывается на

изменении оптических потерь в результате механического перемещения

элементов - аттенюаторов. К механическим аттенюаторам относятся устрой-

78

ства, оптические потери в которых создаются в результате введения между

излучающими торцами ПОВ и приемными торцами ООВ дополнительных

конструктивных элементов с переменным профилем или переменным

коэффициентом поглощения.

Если часть светового потока Ф0, идущего от ООВ, перекрывается

непрозрачным экраном, перемещающимся в направлении Ζ в соответствии с

законом изменения измеряемого давления перпендикулярно направлению

распространения оптического излучения, то при этом часть площади приемного

торца ООВ S3 затеняется, соответственно изменяется освещенная площадь Sz

приемного торца ООВ (рис. 2. 12), причем SZ=SOB-S3.

Таким образом, происходит преобразование:

Функция преобразования имеет вид:

Sx - часть поперечного сечения сердцевины ОВ, не закрытая шторкой; SAA -

площадь поперечного сечения светового потока в плоскости А-А

расположения приемного торца ОВ.

Φ(Ζ)=Κ1 К2 Ф0, (2. 18)

79

Рис. 2. 12. Управление световым потоком с помощью непрозрачного прямоугольного экрана.

80

Если световой поток от ПОВ распространяется параллельным пучком, то

коэффициент К2=1 (см. рис. 2. 12, а). При расходящемся пучке света (см. рис.

2. 12, 6) количество светового потока Ф(Х), поступающего в ООВ,

уменьшается в SAA - раз» причем

SАА=π(LtgΘNA+rС)2,

где L - расстояние между излучающим торцом ПОВ и приемным торцом

ООВ;

ΘΝΑ - апертурный угол ОВ; rс - радиус сердцевины ОВ.

Площадь сечения Sz зависит от Z. Изменением вида функции

преобразования Sz=f(Z) можно добиться изменения нелинейности и крутизны

ФП Φ=f(Ζ). В свою очередь, изменения вида зависимости Sz=f(Z) добиваются

изменением формы и размеров экрана.

Простейшим случаем является перекрытие светового потока

непрозрачным экраном прямоугольной формы, для которого в соответствии с

геометрическими построениями имеем (см. рис. 2. 12, а)

С учетом формул (2. 19), (2. 20) и того, что Sc=πrc2 определено Sz:

График зависимости Sz= f(Z) для перемещения прямоугольной шторки в

диапазоне 0... 200 мкм и гс=100 мкм представлен на рис. 2. 13, а.

Относительное изменение интенсивности светового потока Φ/Φ0=f(Ζ) в

диапазоне измерения будет носить аналогичный характер. Зависимость

достаточно линейная. Некоторая нелинейность наблюдается на участках 0...

20,

180.. . 200 мкм, поэтому диапазон перемещения шторки относительно ОВ

ограничен участком 20.. 180 мкм.

При расходящемся пучке

81

Выражение (2. 21) справедливо при L< Lф (см. рис. 2. 9). Как правило, Lф не

превышает 0, 5 мм. На практике разместить так близко относительно друг друга

ОВ технологически сложно, кроме того, между ПОВ и ООВ должна перемещаться

шторка, толщина которой 0, 3... 0, 5 мм. Поэтому выбирают L>LФ. В этом случае

сечение светового пучка в плоскости А-А (см. рисунок 2. 9, 6) представляет собой

кольцо, внешний радиус которого

RВНЕШ=LtgΘNA+rС

а внутренний - RВНУТР=RВНЕШ-2rС.

Тогда SAA=πrc(2LtgΘNA+rc) и функция преобразования будет иметь

вид:

Шторка может быть выполнена с отверстием. Если отверстие имеет

прямоугольную форму, то управление световым потоком аналогично

рассмотренному выше случаю. В данном случае шторку располагают относи-

82

83

тельно ООВ таким образом, чтобы при Ζ=0 совпали центры ООВ и отверстия,

если сформирован параллельный поток. При расходящемся пучке света центры

ООВ смещены относительно оптической оси ПОВ на расстояние D=LtgΘNA+rc.

Более технологична в изготовлении шторка с круглым отверстием. В этом

случае часть Sz поперечного сечения ОВ, не закрытая шторкой, определяется

выражением (2. 17), только в данном случае параметр R величина постоянная и

равная радиусу Rш круглого отверстия в шторке. В этом случае Sz= Sc- S3, или

По аналогии с выражением (2. 20), значение параметра а определится следующим выражением:

где D=RШ+rс-Z.

Изменять линейность зависимости Sz=f(Z) и глубину модуляции оптического

сигнала можно, изменяя значение Rш в процессе проектирования. На рис. 2. 13, 6

представлены расчетные зависимости Sz=f(Z) при параллельном ходе лучей для

перемещения круглой шторки в диапазоне 0... 200 мкм при rс=10О мкм и Rш=180, 200,

220 мкм. Максимальное отклонение от линейной линии регрессии равно

соответственно 2200, 1700, 1600 мкм2, погрешность линейности минимальна

при RШ=rC.

84

Функция преобразования Ф=f(Z) для шторки с круглым отверстием при

параллельном ходе лучей будет иметь вид:

При расходящемся пучке

85

2.4.2. Управление световым потоком при помощи сферических линз.

При создании ВОД вопрос эффективного использования светового

потока ИИ требует особого внимания, это обусловлено не только с потерями

при вводе излучения ИИ в ОВ, но и с существенными неинформативными

потерями светового потока в зоне измерения. Это связано тем, что принцип

действия большинства управляющих устройств ВОД основан на реализации

только части светового потока, поступающего по ПОВ в зону измерений.

Потери при этом могут достигать 5... 10 дБ.

Эффективность использования управляющих устройств может быть

значительно увеличена, если повысить освещенность и снизить величину

освещенной поверхности в плоскости расположения ООВ. Таким

управляющим устройством является собирающая линза, фокусирующие

свойства которой позволяют снизить площадь изображения торца ПОВ до

величины площади приемного торца ООВ. Чтобы введение линзы в зону

измерения не повлекло за собой увеличения габаритных размеров ИП,

необходимо применять короткофокусную сферическую линзу.

На рис. 2. 14 представлена расчетно-конструктивная схема ИП со

сферической линзой. Сферическая линза расположена между ПОВ и ООВ

таким образом, что оптические оси ПОВ и линзы совпадают, а оптические оси

линзы и ООВ или совпадают (сечение А-А) или расположены относительно

друг друга на некотором расстоянии Rср (сечение В-В), причем ПОВ

расположено на расстоянии (1) относительно линзы, а ООВ - на

расстоянии (1 1 ) . Расстояния Rср, (1) и ( l 1 ) , радиус линзы rл определяются на

стадии проектирования из условия наиболее благоприятного согласования

всех конструктивных элементов оптической схемы.

86

87

Модуляция светового потока при помощи сферической линзы происходит

следующим образом:

Лучи света 1 и 2 с выхода излучающего торца ПОВ выходят под

апертурным углом ΘΝΑ И падают под углами α1 и α2 на сферическую

поверхность линзы, где преломляются, проходят через тело линзы под углами

β1 и β2 соответственно, вторично падают на противоположную поверхность

линзы под углами βι и β2, преломляются и под углами γ1 и γ2 фокусируются в

направлении приемного торца ООВ (см. рис. 2. 14). Изображение излучающего

торца ПОВ в плоскости А-А, где расположен приемный торец 00В,

представляет собой освещенную кольцевую площадку площадью SИЗ,

внешний радиус которой равен RВНЕШ, а внутренний - RBH.

Максимальное количество светового потока поступит в ООВ, если 00В

расположено в плоскости В-В, когда площадь изображения SИ3 будет меньше

или равна площади Sc приемного торца ООВ, при этом апертурный угол линзы

ΘЛ должен быть больше апертурного угла ΘΝΑ, а угол ΘΒΧ ввода излучения в

ООВ меньше апертурного угла ΘΝΑ, ТО есть SИ3 ≤ Sc, ΘЛ ≥ ΘΝΑ, ΘΝΑ ≥ ΘΒΧ.

Первое условие выполняется, если l1=Sf+b, где b=dc/2tgΘBX]. Предполагается,

что ПОВ и ООВ выбраны одного типа и размеров.

Основная задача состоит в том, чтобы определить все

вышеперечисленные параметры ИП, обеспечивающие не только эффективный

ввод излучения в ООВ, но и линейную функцию преобразования Φ=(Χ, Ζ),

максимальные чувствительность преобразования и глубину модуляции

оптического сигнала и равномерное распределение освещенности в плоскости

расположения приемного торца ООВ.

Расстояние от переднего фокуса до поверхности линзы определяется

выражением (если линза расположена в воздухе, то η1=η2≈1):

Например, если используются OB с dc = 200 мкм, сферическая линза

радиусом rл =1 мм из кварцевого стекла с n2 = nл =1, 47, то фокусное расстояние

линзы составит f =3, 33 мм, a |S f | = 2, 1 мм. Таким образом, |Sf| ≈ 2rл.

Линза может перемещаться относительно ОВ в направлениях X и Z, т. е.

вдоль и перпендикулярно оптической оси ИП.

Функция преобразования имеет вид:

Φ(Χ, Ζ)=ΚΦ0,

где К - коэффициент передачи оптического тракта «ПОВ - линза - ООВ».

K=Sпр/SK, (2. 22)

где Sпр - освещенная площадь приемного торца ООВ; Sk- площадь освещенной зоны в плоскости приемного торца ООВ.

Рассмотрим первый случай, когда линза перемещается вдоль оси X (рис.

2. 15). Если линза меняет свое положение относительно ОВ: приближается или

удаляется на расстояние X относительно своего первоначального положения,

то лучи света 1 и 2 с выхода излучающего торца ПОВ будут падать на

сферическую поверхность линзы под углами α1(X) и α2(Х), отличные от своего

значения в нейтральном положении (при Х=0).

88

89

Рис.

2. 1

5. Р

асче

тная

схем

а из

мери

тель

ного

пре

обра

зова

теля

при

мод

уляц

ии св

етов

ого

пото

ка

сфер

ичес

кой

линз

ой, п

ерем

ещаю

щей

ся в

доль

оси

X.

90

Далее лучи преломляются, проходят через линзу под углами β1(Χ) и β2(Χ)

соответственно, вторично падают на противоположную поверхность линзы под

углами β1(Χ) и β2(Χ), преломляются и под углами γ1(Χ) и γ2(Χ) фокусируются в

направлении приемного торца ООВ, падают на приемную поверхность ООВ под

углами ΘΒΧ1(Χ) и ΘВХ2(Х) соответственно. При этом изменяются значения

внешнего RВНЕШ и внутреннего RBH радиусов кольцевой освещенной площадки в

плоскости расположения ООВ, что, в свою очередь, ведет к изменению ее

площади SИ3 (рис. 2. 16). Данные изменения повлекут за собой изменение

площади Sпp перекрытия освещенной зоны и приемного торца ООВ. Таким образом происходят следующие преобразования:

На основании геометрических построений, приведенных на рис. 2. 17,

определим SK И Sпр. Индексом «1» обозначены параметры, соответствующие

крайнему лучу 1, исходящему из излучающего торца ПОВ, в нейтральном

положении (при Х=0). Индексом «2» обозначены параметры, соответствующие

крайнему лучу 2, исходящему из точки, отстоящей от поверхности линзы на

расстоянии Sf. Индексом «i» обозначены параметры, соответствующие текущему

значению перемещения Xi центра линзы вдоль оси X.

Из треугольника АВО имеем

(hi+ rЛ)/sin(180-α1)=rЛ/sinΘNA, (2. 23)

где hi - расстояние между поверхностью линзы и точкой на оптической оси ИП,

соответствующей началу i-го луча.

hi2 =Sf ± Xi,

для луча 1 необходимо учесть его смещение вдоль оси X на расстояние h=dc/tg0NA

от точки, из которой исходит второй луч:

hi1= Sf-dc/tgΘNA±Xi.

(2. 24)

(2. 25)

91 а) при Х=0 при X=Xi при Х=Хmax б) при Х=0

при Х=Х; ПРИ

Рис. 2. 16. Геометрические построения к выводу функции преобразования ИП со сферической линзой, перемещающейся в направлении X: а) ООВ расположено на оптической оси линзы на расстоянии 1, от поверхности линзы, б) два ООВ расположены соосно оптической оси линзы на расстоянии Sf от поверхности линзы.

Для луча 2:

93

В соответствии с законом Снеллиуса

n1sinα=nлsinβ, nлsinβ=n3sinγ, (2. 26)

где n1, n3, nл - коэффициенты преломления сред между ПОВ и линзой, между

линзой и ООВ и материала линзы соответственно; с учетом выражений (2. 23),

(2. 24), (2. 26) для луча 2 имеем

sinγi2= - (n1/n3)[(Sf+rЛ)±Xi]sinΘNA/rЛ; (2. 27)

γi2=arcsin[-(n1/n3)[(Sf+rЛ)±Xi]sinΘNA/rЛ]. (2. 28) Для луча 1 с учетом выражений (2. 22), (2. 24), (2. 25) имеем:

sinγi1= - (n1/n3)[(Sf+rЛ-dc/tgΘNA)±Xi]sinΘNA/rЛ; (2. 29)

γi1=arcsin[-(n1/n3)[(Sf+rЛ-dc/tgΘNA)±Xi]sinΘNA/rЛ]. (2. 30)

Луч 3 не пройдет в ООВ, так как Θвх3 ≥ ΘNA, поэтому ПОВ нецелесообразно

располагать на расстоянии, большем, чем Sf. Поэтому в выражениях (2. 24), (2.

25), (2. 27) - (2. 30) значения X необходимо учитывать только со знаком «минус».

Из треугольника OCD:

rЛ /sinΘВХi=(bi+rЛ)/sin(180-γi),

ΘВХi=γi-β2,

из треугольника AOB:

β2=arcsin [(-n1Sf /nлrЛ)sinΘNA]. (2. 31)

94

тогда,

Из выражения (2. 28) находим:

где sinyi, Yi, β2- определяются выражениями (2. 28) (2. 31).

Если ООВ располагается соосно с линзой в сечении В-В (см. рис. 2. 14), то

его приемный торец необходимо расположить таким образом, чтобы при Х=0

лучи 1 и 2 попали на приемный торец ООВ, то есть на расстоянии 11, равном l1=

b1 - с1 где C1= dc/2tgΘBXl.

В этом случае (см. рис. 2. 16, а)

Тогда коэффициент передачи тракта «ПОВ - линза - ООВ» с учетом

выражения (2. 33) определится как K=(r2c- R2

BH)/(R2ВНЕШ R2

BH)·

Чтобы эффективно использовать всю поверхность приемного торца ООВ

параметры оптической схемы необходимо рассчитывать и определять таким

образом, чтобы при Х=0, RBHЕШ=dc/2, RBH=0, Sпр=Sc и Sпр=SK, а при X=Xmax,

RВH=dc/2 (см. рис. 2. 16, а).

Если ООВ располагается в сечении А-А на расстоянии Sf от поверхности

линзы, то с целью повышения чувствительности преобразования целесообразно

расположить два, три или более ООВ в непосредственной бли-

95

зости друг от друга (см. рис. 2. 14, 2. 16, 6). Данное технико-технологическое

решение обеспечивает распределение освещенности в зоне перетяжки (в

фокусе линзы) равномерное [25].

В этом случае площадь SK определяется уравнением (2. 35), a Sпр будет

определяться соотношением

где S„ - неосвещенная поверхность приемного торца

ООВ; n - количество ООВ.

S„ определяется выражением (2. 17), в котором R = RBH, а параметр а в

соответствии с рисунком 2. 16, 6 и по аналогии с выводом формулы (2. 17)

определяется выражением

Для определения RВНЕШ и RBH на рисунке 2. 17 показаны поясняющие

геометрические построения, откуда

Таким образом, изменяя значение I1 то есть местоположение сечения А-А,

можно изменять ход зависимости K=f(X). В сечении В-В RBH= 0, RВНЕШ

= dc/2. При Х=0 ΘΒΧ2 = ΘΝΑ·

96

Рассмотрим второй случай, когда линза перемещается вдоль оси Ζ. Здесь

происходят следующие преобразования:

В случае перемещения линзы вверх или вниз относительно ОВ будет

меняться угол а падения луча света с выхода ПОВ на поверхность линзы,

поэтому все последующие преобразования будут аналогичны происходящим

при перемещении линзы в направлении X. В данном случае для упрощения

математических выкладок целесообразно рассматривать не перемещение

линзы в направлении Ζ, а эквивалентное смещение луча относительно линзы

вдоль оптической оси на величину X=Z/tgΘNA, тогда

где Zi - текущее значение перемещения центра линзы по оси Z. По

аналогии с выражениями (2. 27) - (2. 31) для луча 2 имеем

Остальные формулы для определения SK, Sпр, Κ(Ζ), Φ(Ζ) при перемещении

линзы в направлении Ζ аналогичны формулам, выведенным для определения

параметров при перемещении линзы в направлении X.

Общий вид функции преобразования Φ(Χ, Ζ) достаточно громоздкий.

Поэтому для практических расчётов для оценки параметров ВОД целесообразно

пользоваться отдельными выражениями ее составляющих.

На рис. 2. 18 приведены зависимости К=Ф/Фо=f(Х) и Κ=Φ/Φ0=f(Ζ) при разных

значениях \\ для случая, когда используются ОВ, радиус сердцевины которых rс

= 0, 1 мм, ΘΝΑ=12 град; линза радиусом rл =1 мм, показатель преломления и

переднее вершинное расстояние которой составляют nл =1, 47 и Sf=2 мм

соответственно; n0=1, n3 =1.

Зависимость Φ/Φ0=f(Χ) практически линейная. Изменение расстояния 1ι

существенно влияет на чувствительность преобразования d(Ф/Ф0)/с1Х и

глубину модуляции m. Так при изменении расстояния l1 от 2 до 1, 5 мм

чувствительность преобразования увеличивается от 0, 06 до 0, 44 мм-1, т. е.

приблизительно в 8 раз, соответственно глубина модуляции увеличивается с 4

до 30 %.

Зависимость Ф/Фо = f(Z) носит нелинейный характер, близкий к

квадратичному. При изменении расстояния l1 от 2 до 1, 5 мм чувствительность

преобразования d(Φ/Φο)/dΖ увеличивается от 0, 5 до 3 мм то есть

97

98

приблизительно в 6 раз, соответственно глубина модуляции увеличивается с 4 до

25 %.

2.4.4. Управление световым потоком при помощи дифференциальных управляющих устройств.

Дифференциальное управление световым потоком позволяет значительно

снизить влияние на точность измерений неинформативных параметров внешней

среды и изгибов ВОК.

а)

О 0, 01 0, 02 Ζ, мм

Рис. 2. 18. Зависимости а) Κ=Φ/Φο=f(Χ), б) Κ=Φ/Φο=f(Ζ) при ΘΝΑ- 12 град; rс = 0, 1 мм; n0= 1, nл= 1, 47;

n3 = 1; Sf= 2 мм; rл = 1 мм при разных l1.

99

2.4.5. Управление световым потоком при помощи дифференциального предельного аттенюатора (ДА).

На рис. 2. 19 приведены возможные варианты конструктивного исполнения

ДА - непрозрачного экрана с двумя отверстиями квадратной и круглой формы,

центры которых смещены на величину rc

Управление световым потоком в этом случае осуществляется следующим

образом. На приемные торцы двух ООВ, расположенных в сечении А-А на

расстоянии L от излучающего торца ПОВ, спроецировано в виде круглого пятна

SAA изображение излучающего торца ПОВ. При Z, =0, когда центр изображения

совпадает с осью У приемных торцов ООВ, открыты верхняя половина первого

и нижняя половина второго ООВ. При этом потоки, поступающие на каждое

волокно, Ф1 и Ф2, равны. Если шторка смещается, то происходит

перераспределение светового потока между отдельными ООВ: в первое ООВ

поступает оптический сигнал (Ф1-ΔФ), во второе ООВ - (Ф2+ΔФ).

Если сигналы с выхода ООВ поступают на приемники излучения, а затем на

вычитающее устройство, то на его выходе наблюдается сигнал,

пропорциональный разности потоков излучения:

I ~ (Φ1-ΔΦ) - (Φ2+ΔΦ) = 2ΔΦ,

Таким образом, (ф1ф2) = f(Z). В этом случае наблюдается удвоение

чувствительности преобразования и линеаризация выходной зависимости

Ф = f(Z).

Если сигналы с выхода ООВ поступают на делительное устройство, то на

его выходе формируется сигнал, пропорциональный отношению потоков

излучения Ι(Ζ) ~ (Ф1 -ΔΦ)/(Φ2+ΔΦ).

100

Таким образом, Фli/Ф =f(Z). В этом случае снижается влияние на точность

измерения неинформативных изгибов ВОК, изменения мощности ИИ и

чувствительности ПИ.

а)

Y

Рис. 2. 19. Модуляция светового потока с помощью непрозрачного

экрана с отверстиями: а) квадратной формы, б) круглой формы.

101

При обработке сигналов ВОД для улучшения метрологических

характеристик целесообразно сформировать отношение (Ф1 -Ф2)/(Ф1+Ф2).

При использовании ДА необходимо решить вопросы выбора количества

ПОВ и ООВ, оптимального расположения ПОВ и ООВ относительно ДА,

оптимальной формы его или отверстия в нем. Перечисленные параметры

существенным образом влияют на ряд метрологических характеристик ВОП:

величину вносимого затухания, чувствительность преобразования, глубину

модуляции оптического сигнала, линейность выходной характеристики.

Оказывает влияние на перечисленные метрологические характеристики и

распределение освещенности в плоскости расположения приемных торцов ООВ,

определяемое расстоянием, на котором расположены ООВ относительно ПОВ.

Коаксиальное расположение ОВ в жгуте ВОК подтвердило как наиболее

простое и эффективное по технологии изготовления и получения высоких

технических характеристик. Одновременно оно наиболее целесообразно с точки

зрения управления световым потоком. Изменение взаимного расположения ПОВ

и ООВ в жгуте ВОК дает возможность изменять чувствительность

преобразования ВОП, глубину модуляции оптического сигнала.

На рис. 2. 20 представлены разработанные авторами варианты взаимного

расположения ООВ двух ИК относительно ДА различного конструктивного

исполнения [15]. Первый вариант рассмотрен выше (см. рис. 2. 19) Необходимо

только добавить, что в этом случае ООВ расположены от излучающего торца

ПОВ на расстоянии L≈LФ, соответствующем дистанции формирования луча,

поэтому облученность площадки SAA резко уменьшается при удалении от

оптической оси ВОП (см. п. 2. 3). Нелинейное распределение освещенности не

будет оказывать влияния на результат измерения, если ООВ двух ИК будут

расположены симметрично относительно оптической оси ПОВ. Данное

обстоятельство можно отнести к недостатку,

102

так как требуется точная юстировка ООВ относительно ПОВ и отверстий ДА.

Кроме того, требуется достаточно точное изготовление отверстий ДА. Этого

недостатка лишен ДА, конструктивная схема которого приведена на рис. 2. 20.

Но при этом ООВ необходимо располагать в плоскости, где распределение

освещенности равномерное, то есть когда диаметр зоны I равен диаметру dc

сердцевины ОВ (см. рис. 2. 9). В этом случае не требуется точная юстировка

ОВ относительно друг друга и отверстия аттенюатора, что является

существенным достоинством данного технического решения. Но в этом случае

уменьшится облученность приемных торцов ООВ, так как увеличивается

площадь SAA·

Оценим, как изменится освещенность приемных торцов в этом случае.

Очевидно, что необходимо найти отношение площадей SAA В первом и во

втором случаях:

где m - расстояние от точки А, соответствующей дистанции формирования

луча, до плоскости, в которой расположены приемные торцы ООВ (см. рис. 2.

20); Lф = rctgΘNA.

Чтобы избежать снижения чувствительности преобразования из-за

снижения освещенности целесообразно использовать не одно, а несколько

ООВ. С точки зрения технологичности изготовления ВОК наиболее

предпочтителен вариант из шести ООВ, представляющий собой

симметричную структуру (см. п. 3. 2). При этом в центре приемного торца

ВОК необходимо расположить седьмое технологическое ОВ, представляющее

собой не-

103

большой (не более 10 мм) отрезок ОВ и обеспечивающее симметричность

конструкции кабеля. ООВ необходимо поделить между двумя измерительными

каналами: по три на каждый, расположив их друг над другом (см. рис. 2. 20, б-д).

Рис. 2. 20. Начало. Выбор оптимальной формы аттенюатора, количества ООВ, взаимного расположения ДА, ПОВ, ООВ.

104

Оценим эффективность каждого из предложенных конструктивных

решений аттенюатора. Для этого примем ряд допущений: мощность светового

потока Рпр, поступающего в каждое открытое ООВ, примем за условную

единицу, т. е. Рпр=1 у. е; освещенность любого ООВ одинаковая. Тогда

105

106

Для аттенюатора, сочетающего круглое отверстие с квадратным, со

стороной, равной (dOB+rc) (см. рис. 2. 20, д), имеем:

при Zi = 0: ΣΡпр1 = ΣΡΠΡ2 = 0, 5 + 2 · 1 = 2, 5 у. е.;

(Ρпр1 - Рпр2) = о у. е.; Ρпр1/Ρпр2 = 2, 5/2, 5 = 1;

при Zmax: ΣΡпр1 = 2 · 0, 5 = 1 у. е.; ΣΡпр2 = 3 * 1 = 3 у. е.;

(Ρпр1 - Рпр2) = 3 - 1 = 2 у. е.; Ρпр1/Ρпр2= 3/1 =3.

Таким образом, при одном и том же количестве ООВ в ВОК, равном шести

(по три на каждый измерительный канал), эффективность аттенюатора с круглым

отверстием (см. рис. 2. 20, г) в 2... 3 раза выше остальных в том случае, если

дальнейшая обработка сигналов выполняется с помощью делительного

устройства, и несколько выше при обработке с помощью вычитающего

устройства. Кроме того, технология изготовления круглого отверстия по

сравнению со всеми остальными значительно проще. Следует дополнить к

достоинствам данного ДА простоту юстировки его и ОВ. При незначительной

неточности взаимной установки ДА и ОВ вдоль оси Υ интегральная оценка

поступающего в ООВ светового потока остается неизменной, то есть не скажется

на результате измерений. Поэтому данный вариант исполнения ДА

рекомендуется к применению в ВОДД.

2.4.6. Управление световым потоком при помощи дифференциального оптико-механического модулятора.

Обратимся к представленной на рис. 2. 21 расчетной схеме модуляции

светового потока при помощи сферической линзы, перемещающейся в

направлении Ζ относительно ОВ. Данную схему можно применять для

дифференциального управления световым потоком. Для этого необходимо

107

108

сформировать два световых потока, которые в нейтральном положении

линзы (при Ζ=0) относительно ООВ, должны быть равны т. е. Ф1=Ф2. В этом

случае ООВ разделяются на две группы, расположенные относительно

сферической линзы так, что при смещении линзы относительно ОВ в

соответствии с законом изменения физической величины поток Ф1

поступающий в ООВ первой группы, уменьшался на величину ΔΦ, а поток Ф2,

поступающий в ООВ второй группы - увеличивался на ту же самую величину

ΔΦ, то есть (Φ1 -ΔΦ) и (Φ2+ΔΦ) соответственно.

Рассмотрим вариант, когда реализуются два ООВ, расположенных

симметрично относительно оптической оси линзы, находящейся в

нейтральном положении один над другим (рис. 2. 22).

Равные по интенсивности световые потоки будут сформированы в том

случае, если в плоскости расположения ООВ изображение излучающего торца

ПОВ будет представлять собой круг радиусом rиз, равным rов ОВ, то есть

rиз=rов· Это возможно в том случае, если апертурный угол линзы ΘЛ больше

апертурного угла ΘΝΑ, а угол ΘΒΧ ввода излучения в ООВ меньше апертурного

угла ΘΝΑ, если

Значение ΘΒΧ1 определим из выражения (2,45) для нейтрального

положения линзы, когда Ζ = 0. Тогда вторая составляющая выражения (2. 47) несущественна, поэтому

ООВ расположены вблизи зоны перетяжки, и, соответственно, распределение освещенности в плоскости расположения ООВ практически равномерное. В нейтральном положении при Zi = 0, когда центр изображения совпадает

109

с оптической осью измерительного преобразователя, открыты верхняя

половина первого ООВ и нижняя половина второго ООВ. При этом потоки

излучения, поступающие на каждое волокно, Φ1 и Ф2, равны между собой.

Рис. 2. 22. Модуляция светового потока с помощью дифференциального смещающего аттенюатора (сферической линзы): а) конструктивная схема, б) зависимость Ф/Ф0=(Ф1-Ф2) /Φ0=f(Ζ).

110 При смещении линзы в направлении +Ζ количество светового потока Φ1,

поступающего в первое ООВ, будет увеличиваться на величину ΔΦ,

пропорциональную значению смещения ΔΖ, а количество светового потока Ф2,

поступающего во второе ООВ, будет уменьшаться на ΔΦ.

Если сигналы с выхода ООВ поступают на вычитающее устройство, то на

его выходе наблюдается сигнал, пропорциональный [Φ1(Ζ)-Φ2(Ζ)].

Таким образом происходят следующие преобразования:

На рис. 2. 22, б приведена зависимость Ф/Ф0=(Ф1-Φ2)/Φο=ί(Ζ). В отличие от

нелинейных зависимостей Φ1/Φ0=ί(Ζ) и Φ2/Φο=f(Ζ) данная зависимость линейная.

Анализ результатов теоретических исследований показал, что

существенной глубины модуляции оптического сигнала (до 30 %) можно

добиться, перемещая линзу вдоль оси Ζ вверх или вниз относительно ПОВ и

ООВ приблизительно на 0, 03 dc, например, если dc=200 мкм, то перемещение

по оси Z составит 10... 30 мкм.

2.4.7. Дифференциальное управление световым потоком при помощи

отражающей поверхности.

Реализовать дифференциальную схему в ВОД отражательного типа до

настоящего времени не представлялось возможным. Авторами предложено

оригинальное решение этой проблемы. Предлагается использовать ВОК с

центральным расположением ПОВ, а ООВ разделить на две группы А и В (рис.

2. 23).

Рис. 2. 23. Схема расположения ОВ в общем торце ВОК дифференциального ВОДД отражательного типа.

Группа А располагается в непосредственной близости от ПОВ таким

образом, что расстояние между оптическими осями ПОВ и ООВ lA=dOB, а

минимальное расстояние, на котором необходимо расположить отражатель,

должно быть Xmin=(3rOB - rc)/2tgΘNA· Такое взаимное положение ПОВ, ООВ

и отражателя обеспечивает полную засветку приемного торца ООВ группы А,

то есть Sпр=Sc.

При Xmin: RBH 2rOB - Гс, Rвнеш 2rов Гс.

При Xmax: RBH 2RОВ Гс.

Группа В располагается относительно ПОВ таким образом, что

расстояние между оптическими осями ПОВ и ООВ 1в=dов+с1с· В этом случае

при Xmjn ООВ группы В не засвечены.

При перемещении отражателя в направлении X от Xmin до Хmax площадь

SnpA приемного торца ООВ группы А уменьшается от Sc до 0, а площадь SПРB,

наоборот, увеличивается от 0 до Sc.

Сложность практической реализации данного технического решения в

том, что необходимо четко выдержать расстояние 1в- Это возможно в том

1 1 1

• - сердцевина ПОВ, О - сердцевина ООВ группы А, © - сердцевина ООВ группы В, . - технологическое ОВ.

112

случае, если в конструкцию ВОК ввести технологические ОВ, с которых снята

защитная оболочка (см. рис. 2. 23).

113

ГЛАВА 3. ОЦЕНКА МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ И ЭКСПЛУАТАЦИОННО-ТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ

ДАВЛЕНИЯ НА СТАДИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Развивающаяся отрасль волоконно-оптической техники включает в себя несколько независимых самостоятельных направлений:

- волоконную оптику, которая в свою очередь включает в себя несколько направлений (оптическое волокно, оптоэлектронные компоненты, оптические кабели, оптические соединители, разветвители, контрольно-измерительная аппаратура, технология, специалисты этого направления и др. );

- полупроводниковые источники света, которые обуславливают надежность функционирования и срок службы ВОД, технологическую интеграцию с другими компонентами, микроминиатюризацию, реализацию одномодового режима генерации в широком диапазоне рабочих мощностей, высоким быстродействием, пороговые токи генерации, структурные исполнения (излучательная рекомбинация), КПД по мощности, выходную мощность, стоимость, экономичность И др.;

- фотоприемники состоят из двух основных элементов: детектора оптического измерения, который обуславливает преобразование оптического сигнала в электрический, и усилителя фототока. Фотоприемники должны обладать высокой чувствительностью, высоким быстродействием, минимально-допустимыми шумами, независимостью рабочих характеристик от дестабилизирующих окружающих условий, высокими условиями совместимости со световодами и электронными приборами и отдельными устройствами;

- различные элементы оптических схем, позволяющие конструировать ВОД для измерения различных физических параметров (температур, уровня жидкости, частоты вращения, давлений и др. ).

3.1. Анализ характеристик волоконно-оптических датчиков давления для измерения давления.

На стадии проектирования необходимо обязательно проводить

тщательный метрологический анализ будущего ВОДД и обеспечить создание

соответствующего решения по снижению до допустимых значений

погрешностей до допустимых значений.

114

Ниже рассматривается и представляется обобщенный подход к

метрологическому анализу амплитудных ВОДД, на основании которого

разработчику представляется возможность проведения метрологического

анализа разрабатываемого ВОДД.

Исследуемая (номинальная) функция преобразования ВОДД

записывается:

• с электрическим выходом JH=F(P) (см. рис. 1. 3, а);

• с оптическим выходом ФH=F(P) (см. рис. 1. 3, 6).

С учетом реальных условий эксплуатации ФП в общем виде ВОДД

структурно-схематически представим в следующем виде (рис. 3. 1):

На результат измерения влияют внешние помехи и влияющие факторы ξί,

погрешности изготовления qi отдельных структурных элементов и узлов,

дестабилизирующие факторы Vi, возникающие в самом датчике.

Соответственно реальная функция преобразования с учетом влияния

перечисленных факторов на результат измерения и запишется (рис. 3. 1):

Рис. 3. 1. ВОДД амплитудного типа: а) с электрическим выходом; б) с оптическим выходом.

115

Рис.

3. 2

Мет

роло

гиче

ская

мод

ель

воло

конн

о-оп

тиче

ских

дат

чико

в да

влен

ия

ампл

итуд

ного

типа

с эл

ектр

ичес

ким

выхо

дом.

116

Рис.

3. 3

Мет

роло

гиче

ская

мод

ель

воло

конн

о-оп

тиче

ских

дат

чико

в да

влен

ия

117

Погрешность преобразования определится как

Определим зависимости, определяющие реальные функции

преобразования. Для этого на основании структурных схем составим

метрологические модели датчиков (рис. 3. 2 и рис. 3. 3), реальные функции

преобразования которых записываются:

• с электрическим выходом

• с оптическим выходом:

где А, - погрешность юстировки ИИ относительно ПОВ; Δ2 - погрешность юстировки ПОВ относительно ИП;

Δ3 - аддитивная погрешность из-за неточности изготовления

конструктивных элементов ИП;

Δ4 - погрешность юстировки ИП относительно ООВ;

Δ5- погрешность юстировки ООВ относительно ПИ;

Δ6- погрешность спектрального согласования ИИ и ПИ;

Δл - погрешность линейности функции преобразования ИП;

δРИИ - погрешности, обусловленные изменением мощности и

118

диаграммы излучения ИИ при изменении температуры

окружающей среды, напряжения питания и т. п.; δКис, δКсп - погрешности, обусловленные изменением светопро- пускания ПОВ и ООВ соответственно, при изгибах ВОК, воздействии ударов, вибрации, линейного ускорения и т. п.;

δКип - мультипликативная погрешность ИП, обусловленная изменением

параметров ИП при изменении температуры окружающей среды,

воздействии ударов, вибраций, линейных ускорений и т. п.;

δη(λ) - погрешность спектрального согласования ИИ и ПИ при изменении

температуры окружающей среды;

δS П И - погрешность от изменения интегральной токовой

чувствительности ПИ при изменении температуры окружающей

среды, напряжения питания и т. п.

С учетом зависимостей (1. 1) и (3. 3) выражение (3. 1) перепишется:

Соответственно зависимость (3. 2) с учетом зависимостей (1. 2) и (3. 4)

перепишется:

Мультипликативная составляющая погрешности записывается: • для

ВОД с электрическим выходом

119

• для ВОД с оптическим выходом

Аддитивная и нелинейная составляющие погрешности не влияют на

результат измерения, если в нормативно-техническую документацию вносится

градуировочная характеристика датчика, смещенная вдоль оси ординат

относительно номинальной функции преобразования на величину аддитивной

погрешности. Если в документацию внесена номинальная функция

преобразования в виде аналитической зависимости, то необходимо учитывать

данные погрешности, например при обработке результатов измерений, с целью

их исключения.

аддитивная составляющая погрешности записывается: • для ВОД с электрическим выходом

120

Причины возникновения погрешности Δ1 подробно рассмотрены в п. 2. 2.

Величину погрешности (до 10%) могут внести радиальные рассо- вмещения ИИ

и ПОВ. Продольные и угловые рассовмещения вносят незначительную

погрешность (не более 1%), если не превышают 10% от диаметра жгута.

Погрешности Δ2 - Δ4 в значительной степени зависят от конструктивного

исполнения ИП. В процессе проектирования необходимо предусмотреть

оптимальные конструктивно-технологические и схемные технические

решения, которые позволят уменьшить до допустимых значений указанные

погрешности. В виду того, что в каждом конкретном случае конструкции ИП

могут отличаться друг от друга, то и способы снижения их в каждом случае

различны.

Погрешность Δ5 практически равна нулю, так как площадь торца жгута

ООВ значительно меньше площади приемной светочувствительной площадки

ПИ.

Погрешности Δ, - Δ5 могут быть существенно снижены в процессе сборки

датчиков точной юстировкой элементов конструкции.

Погрешность спектрального согласования ИИ и ПИ Δ6 может быть

полностью исключена, если диапазон длины волны излучения ИИ

соответствует диапазону спектральной чувствительности ПИ. Например,

анализ спектральных характеристик инфракрасного светодиода ЗЛ107Б и

фотодиодов КФДМ, ФД-19КК, ФД-32К, показал, что спектральная

характеристика интегральной чувствительности фотодиода ФД-32К не

соответствует спектральной характеристике светодиода ЗЛ107Б, т. е.

коэффициент спектрального согласования η(λ) практически равен нулю.

Спектральный диапазон фотодиода ФД-19КК частично совпадает со спектром

светодиода ЗЛ107Б, и коэффициент спектрального согласования составляет

η(λ)«0, 5. Лучшей парой светодиоду ЗЛ107Б по коэффициенту спектрального

согла-

121

сования можно считать фотодиод КФДМ, спектральный диапазон

чувствительности которого полностью перекрывает диапазон излучения

светодиода ЗЛ107Б. В этом случае η(λ)≈ 1.

Мультипликативная погрешность δη (λ) спектрального согласования ИИ и

ПИ при изменении температуры окружающей среды в диапазоне ± 50°С может

достигать 25... 30 % (например, для пары светодиод ЗЛ107Б - фотодиод ФД-

19КК). Но она может быть существенно снижена, если использовать

двухплощадочные ПИ, каждая из светочувствительных площадок которых

включена в один из измерительных каналов дифференциальной схемы, к

которой подведены ООВ соответствующих измерительных каналов.

Мультипликативные погрешности δРИИ, δΚΗΠ, δБПИ при изменении

параметров окружающей среды могут достигать 30%, а в отдельных случаях

50% от результата измерения, если при конструировании не принять

соответствующих мер. Но так как они носят систематический характер,

поэтому могут быть исключены тем или иным конструкционным решением. В

литературе достаточно подробно описаны способы снижения указанных

погрешностей. Для снижения этих погрешностей применяют различные

схемотехнические решения: дифференциальное исполнение измерительной

схемы датчика, введение дополнительных схем коррекции и т. п.

Погрешности δКИС, δΚСΠ, обусловленные изменением светопропуска- ния

ОВ при неинформативных изгибах ВОК, можно исключить использованием тех

же приемов, что и для исключения вышеперечисленных мультипликативных

погрешностей, если только изгибы волокон незначительны (не менее 10-и

диаметров волокна). Большие изгибы ВОК вызывают существенное снижение

интенсивности светового потока, поступающего в зону измерения, что снижает

глубину модуляции оптического сигнала в процессе измерения. Поэтому при

изготовлении и эксплуатации ВОД необходимо

122

принять все возможные конструктивно-технологические меры для исключения

неинформативных изгибов ВОК.

Мультипликативная погрешность δКИП, обусловленная изменением

параметров ИП при изменении параметров окружающей среды и воздействии

механических факторов, может быть оценена только для конкретных типов ИП.

Таким образом, метрологический анализ амплитудных ВОД показал, что

если в процессе проектирования учесть возможные причины возникновения

погрешностей, то можно как в процессе проектирования, так и в процессе

обработки измерительной информации существенно снизить различные

составляющие погрешности измерения ВОД.

123 3. 2 Влияние волоконно-оптического кабеля на эксплуатационные

характеристики волоконно-оптических датчиков давления и рекомендации по их снижению.

В работах [7, 13, 22] подробно рассмотрены вопросы распространения

света по ОВ и ВОК систем связи при воздействии различных ВВФ. С большой

долей точности данные теоретические и экспериментальные исследования

можно применять для ВОК, используемые в ВОДД РКТ. Но при этом

необходимо учесть ряд отличительных особенностей, среди которых

конструктивно-технологические, эксплуатационные, метрологические,

вносящие определенные ограничения на применение полученных результатов.

Конструктивно-технологические особенности.

В настоящее время отсутствуют серийно изготавливаемые ОВ для

измерительной техники. Поэтому приходится применять ОВ, изготавливаемые

для техники связи, или изготавливать ОВ по специальным заказам.

При разработке ВОДД на принципе амплитудной модуляции оптического

сигнала целесообразно использовать ОВ с большой апертурой и максимально

возможным диаметром поперечного сечения сердцевины для обеспечения

ввода максимально возможной мощности от ИИ в ПОВ (см. п. 2. 2).

Ввиду того, что ВОДД на изделиях РКТ эксплуатируются не только при

повышенных, но и при пониженных температурах, необходимо использовать

«кварц-кварцевые» ОВ. «Кварц-полимерные» ОВ не пригодны в данном

случае, так как у них зависимость ослабления оптического сигнала от

температуры ниже 0°С выражается очень резко [13].

Как будет показано ниже (см. п. п. 3. 3), предпочтение отдается не

отдельным ОВ, а жгутам ОВ, конструктивно оформленным в ВОК.

124

ВОК, используемый в датчике, является его конструктивным элементом,

тем или иным образом, жестко закрепленным в корпусе датчика. В отличие от

оптических кабелей для техники связи, которые изготавливаются на

специализированных предприятиях по соответствующим ТУ или ОСТ, ВОК

целесообразно изготавливать на предприятиях-изготовителях ВОДД с целью

обеспечения требуемых метрологических характеристик.

Конструкция ВОК должна обеспечивать защиту ОВ от повреждения во

время изготовления, прокладки и эксплуатации ВОДД.

Эксплуатационные особенности.

ВОК в ВОДД может находиться под воздействием различных

дестабилизирующих факторов: механических нагрузок (вибрации,

механического удара, линейного ускорения), давления, температуры,

ионизирующих излучений и т. д. Поэтому вопросы учета и уменьшения этого

влияния в процессе проектирования имеют важное значение. В данной работе

не рассматриваются вопросы влияния ионизирующих излучений на

распространение света по ОВ и, соответственно, на метрологические

характеристики ВОД. Данные вопросы достаточно полно освещены в научно-

технической литературе, а также являются объектом исследований

специализированных организаций [29].

На ВОК возможно воздействие нагрузок следующих видов:

осесимметричной (равномерно распределенной по длине и окружности

сечения ОВ), односторонней поперечной, сжимающей или растягивающей,

скручивающей, изгибающей.

Соответственно при разработке ВОДД возникает ряд проблем, связанных

с низкой механической прочностью ОВ:

- во-первых, любые механические воздействия негативным образом

отражаются на механической прочности ОВ: удары, вибрации, изгибаю-

125

щие воздействия, сдавливания ведут к возникновению трещин в стекле.

Микротрещины снижают светопропускание волокна и, соответственно, вносят

погрешность в результат измерений. Большие трещины ведут к полному

разрушению ОВ, что равнозначно полному выходу из строя ВОД,

- во-вторых, использование ряда клеящих составов для фиксации

конструктивных элементов, в состав которых входят ОВ, или для герметизации

отдельных зон, снижает упругие свойства ОВ. Отдельные технологические

процессы, предусмотренные техническими условиями на клеящие составы, не

соответствуют техническим условиям эксплуатации ОВ, что, в конечном счете,

сказывается на технических характеристиках, как ОВ, так и ВОДД в целом.

Таким образом, наиболее слабым местом ВОДД с точки зрения

механической надежности (и, соответственно, метрологической) является

ВОК.

Наиболее часто встречаются отказы из-за поломок ВОК в процессе

изготовления ВОДД.

Процесс изготовления ВОК включает несколько стадий:

1. Нарезка ОВ на куски определенной длины;

2. Соединение отдельных волокон в жгут;

3. Размещение жгута в общей оболочке;

4. Вклеивание торцов жгута в оптические разъемы;

5. Полировка торцов ВОК;

6. Размещение ВОК в корпусе датчика.

В составе датчика ВОК испытывает механические воздействия во время

юстировки, настройки, аттестации, различных видов испытаний. Большинство

перечисленных операций проводятся разными людьми в разных цехах и

подразделениях, поэтому требований в конструкторско- технологической

документации по внимательному и бережному обращению с ВОК не

достигают желаемых результатов. Обязательно возникают

126

нештатные ситуации, связанные с непредвиденными механическими

воздействиями на ОВ.

Предполагается, что при эксплуатации ВОД большая часть ВОК будет

жестко закреплена на объекте, т. е. не будет подвержена неинформативным

механическим воздействиям, чего нельзя сказать о процессе изготовления

датчика.

Анализ отказов ВОДД.

Все вышесказанное привело к необходимости проведения анализа

наиболее часто встречающихся отказов в процессе изготовления с целью

принятия соответствующих мер по их исключению.

Во время сборки, аттестации и испытаний наиболее часто встречаются

поломки, обусловленные изгибающими или крутящими воздействиями,

причем, как правило, они проявляются в зоне, расположенной в

непосредственной близости от зоны измерений, т. е. там, где общий торец ВОК

соединен с корпусом ВОДД (рис. 3. 4).

На фотографиях, снятых с помощью микроскопа с 200-кратным

увеличением, приведены места поломок ВОК (рис. 3. 5).

Это объясняется следующими причинами:

Установка ВОД для аттестации, испытаний или эксплуатации

осуществляется путем жесткой фиксации корпуса датчика (например,

вкручиванием по резьбе, сваркой, вклеиванием и т. д. ) на исследуемый объект

или приспособление.

При этом общий торец ВОК со стороны корпуса оказывает силовое

воздействие на свободный конец ВОК еще не закрепленного на

приспособлении, поэтому кабель в месте стыковки будет прогибаться под

действием собственного веса, испытывая изгибающее силовое воздействие Р.

127

При вкручивании общий торец дополнительно испытывает крутящие

воздействия М, так как достаточно трудно отследить угол поворота корпуса.

Во время испытаний на воздействие механических факторов: вибраций,

ударов, линейного ускорения и т. д., когда ВОДД расположен относительно

соответствующего стенда горизонтально, на него действуют изгибающие силы

Р, когда - вертикально (большая масса кабеля находится над корпусом), то

действует сжимающая сила.

Рис. 3. 4. Воздействие крутящего момента и изгибающей силы в месте ВОК и корпуса ВОДД.

128

Необходимость герметизации корпуса, а также жесткой фиксации ВОК в

корпусе обуславливает в месте стыковки ВОК и корпуса применять клеящие

компоненты. Наиболее часто применяется в РКТ для этих целей клей ВК-9.

Однако он снижает упругие свойства ОВ. Кроме того, в ВОКе, как правило,

расположено несколько

ОВ, а поэтому в зоне заливки (сечение А-А на рис. 3. 4) клеевая масса не

позволяет смещаться ОВ относительно друг друга. Поэтому любые внешние

воздействия, действующие на одно из волокон, передаются другим волокнам,

что еще больше снижает надежность данного узла.

Часто в процессе испытаний ВОДД перед установкой его на

приспособление испытатель-рабочий держит его за свободный конец кабеля.

В процессе установки датчика под тяжестью корпуса ОВ испытывают

растягивающие воздействия.

При проведении экспериментальных исследований ВОДД выяснилось,

что на надежность ВОК оказывает существенное влияние тип трубки, которая

одевается на жгут волокон. Первоначально использовалась трубка ТКР, но она

защищала ОВ в основном от климатических воздействий внешней среды и

слабо защищала от большинства механических воз-

Рис. 3. 5. Причина отказа ВОД - поломка ОВ под действием изгибающих, крутящих и других механических воздействий.

129

действий, кроме того, имело место несоответствие внутреннего диаметра

трубки внешнему диаметру жгута ОВ (в виду отсутствия таковых).

Обеспечить снижение влияния на ОВ механических воздействий можно

за счет применения более жестких защитных трубок. Замена трубки на более

жесткую позволила существенно снизить влияние изгибающих, крутящих,

растягивающих и сжимающих механических воздействий. Но при этом

необходимо понимать, что неосторожное обращение с кабелем может

привести к резкому необратимому надлому трубки. Контакт ОВ с резкими

контурами трубки, как правило, приводит к их поломке. На фотографии

представлены изломы ВОК, когда на жгут ОВ была надета трубка ФД-4 (рис.

3. 6).

Сформулирован соответствующий вывод: упругие свойства защитной

трубки существенно влияют на надежность ВОК в целом, таким образом

защитная трубка не должна быть мягкой и не должна быть чрезмерно жесткой.

Место поломки ВОК обычно находится достаточно быстро: путем

принудительного изгиба отдельных его участков. При изгибе ВОК в месте, где

находится трещина или поломка кабеля, резко падает выходной сиг-

Рис. 3. 6. Причина отказа ВОД - надлом защитной трубки волоконно-оптического кабеля.

130

нал. В этом смысле отказы по причине поломки ВОК можно отнести к легко

обнаруживаемым.

Значительно труднее определить отказы, проявление которых

обуславливается только существенным падением уровня сигнала на выходе

датчика, не связанными изгибами кабеля. В частности, подобный отказ был

зафиксирован при изготовлении партии ВОДД. Полностью собранные

датчики, прошедшие настройку и юстировку, при испытании

зарегистрированный выходной сигнал по величине был значительно ниже

нормы по ТУ. Причем при настройке датчиков в процессе сборки выходные

сигналы соответствовали норме. При вскрытии датчиков обнаружилось, что

причину отказа обусловил клеевой состав, с помощью которого концы ОВ

вклеиваются в металлический разъем для дальнейшей полировки. Анализ

данного отказа показал, что в процессе установки ВОК в корпус датчика

использовалась аргонодуговая сварка, под действием которой в зоне

размещения рабочего торца ВОК температура повысилась до 200°С, при этом

произошло размягчение клея, и он частично затек в рабочие торцы ОВ (фото

на рис. 3. 7). Это привело к тому, что оптический сигнал в зону измерения не

проходил.

Рис. 3. 7. Причина отказа ВОД отражательного типа - попадание клея на рабочие торцы оптических волокон.

131

Рекомендации по улучшению эксплуатационных характеристик ВОД.

На основании анализа механической надежности ВОК сформулируем

главный вывод: для повышения надежности ВОДД в условиях РКТ

необходимо исключить механические информативные и неинформативные

изгибы ВОК [19]. Это возможно только в ВОДД с открытым оптическим

каналом: отражательного, проходного, аттенюаторного типа.

Данный подход реализован авторами в разработанных ВОДД [14, 15, 18,

50, 55, 82, 85, 92, 95].

Гарантировать априори минимальный уровень деформации ОВ в ВОК

практически невозможно. Эффективным мероприятием по обеспечению

прочности ОВ представляются контрольные испытания ОВ в процессе сборки

ВОК, которые заключаются в том, что каждый кусок ОВ подвергается

кратковременному воздействию растягивающих нагрузок [7]. Растягивающая

нагрузка рассчитывается таким образом, чтобы деформация ОВ не превысила

1%. Отрезки ОВ, которые разрушились при испытаниях, отбрасываются.

Чтобы исключить влияние неинформативных механических воздействий

необходимо на этапе изготовления обеспечить такое крепление ВОК

относительно корпуса датчика, которое с одной стороны обеспечит гибкость

узла, а с дугой - герметичность. Это можно обеспечить несколькими путями:

1. Применять специальное технологическое приспособление,

обеспечивающее жесткое крепление обоих концов кабеля относительно

корпусов измерительного и промежуточного преобразователей. Кабель в виде

бухты в нескольких местах или с помощью прижимного кольца также должен

жестко крепиться на приспособлении (рис. 3. 8).

132

2. Удлинить жесткую часть корпуса со стороны кабеля таким образом,

чтобы зона заливки клеем оказалась внутри корпуса (там, где отсутствуют

вышеперечисленные механические воздействия), а место стыковки кабеля и

корпуса заливать упругим герметиком (например, УФ-7-21 ТУ38. 303-04-04-90

по ОСТ 92-1006-77), не снижающим гибкость ОВ в жгуте. В зоне ОВ не

должны заливаться клеем.

3. Применить специальную конструкцию ВОК, предусматривающую

существенное увеличение по длине металлических элементов крепления на

торцах кабеля.

В первом случае полностью исключаются поломки из-за не

внимательного обращения сборщика с ВОК, так как любые перемещения

датчика осуществляются вместе с приспособлением. Но при проведении испы-

Рис. 3. 8. Технологическое приспособление для крепления бухты волоконно-оптического кабеля в процессе изготовления и испытаний ·

133

таний датчика на воздействие механических факторов трудно разместить

данную сборку на приспособлении для испытаний из-за существенных

габаритных размеров. Кроме того, ставится под сомнение чистота

эксперимента, так как значительно увеличена масса объекта, устанавливаемого

на испытательное оборудование. Если в момент проведения испытаний снять

датчик с технологического приспособления, то изменятся результаты

настройки датчика из-за влияния на результат измерения изгиба кабеля.

Поэтому более предпочтительны второй и третий варианты. Но, если следовать

принципу унификации конструктивного исполнения ВОК для датчиков,

предназначенных для измерения различных физических параметров, то

наиболее целесообразно остановиться на третьем варианте, так как в этом

случае будет отсутствовать зависимость от конструктивного исполнения

корпуса измерительного преобразователя.

При выборе защитной трубки необходимо предварительно провести

несложный эксперимент по определению надежности будущего кабеля. Для

этого необходимо изготовить простейшие макеты кабеля и подвергнуть их

воздействию различных механических факторов.

Сравнительную оценку проводить визуально с помощью микроскопа на

наличие микротрещин в ОВ. Подобный эксперимент поможет существенно

сократить материальные потери из-за поломки ВОК собранных ВОД.

При выборе трубки необходимо также учитывать и ее внутренний

диаметр: чем ближе он к внешнему диаметру жгута, тем меньше возможность

перемещения ОВ в ВОК под действием внешних механических воздействий и,

соответственно, снижается вероятность их поломки.

При сборке датчиков необходимо применять импульсную сварку с

применением теплоотвода, причем место сварки необходимо конструктивно

удалить от измерительной зоны.

134

3.3. Влияние волоконно-оптического кабеля на метрологические характеристики волоконно-оптических датчиков давления и рекомендации по их улучшению.

Метрологические особенности. Проблемы ВОК, применяемых в ВОД,

обычно в литературе представляются весьма посредственно: ВОК

рассматривается как удобная среда для передачи информации и не

расценивается как объект метрологической модели [3-5]. В действительности

же ВОК является одним из основных метрологических звеньев ВОДД. В

частности, тип, размеры, количество ОВ и их взаимное расположение в ВОК,

неинформативные и информативные изгибы кабеля и т. д. существенно влияют

на метрологические характеристики ВОДД [19].

Рассмотрим, как влияют на метрологические характеристики

количественное соотношение и взаимное расположение ОВ в ВОК датчика

давления отражательного и проходного типов.

Выбор количества и взаимного расположения ОВ в кабеле ВОДД отражательного типа.

В отражательных датчиках с одного конца ОВ объединены в один общий

жгут, который располагается в зоне измерения напротив отражающей

поверхности, изменяющей свое положение или форму под действием

измеряемого давления. С противоположной стороны ОВ объединены в два

жгута, один торец которых соединяется с ИИ, а другой - с ПИ (рис. 3. 9).

Конструкция и метрологические характеристики ВОДД отражательного

типа определяются взаимным пространственным расположением приемных и

передающих пучков ОВ [19]. На практике такое расположение реализуется в

основном двумя вариантами: торцы передающего и приемного пучков ОВ

установлены под определенным углом друг к другу или имеют общий плоский

135

Рис.

3. 9

. Уни

фици

рова

нная

кон

стру

кция

вол

окон

но-о

птич

еско

го к

абел

я ВО

ДД о

траж

ател

ьног

о ти

па.

136

торец. Но установка торцов под углом в значительной степени затрудняет сборку

датчика, поэтому чаще применяют второй вариант.

Приемный и передающий каналы могут быть выполнены как из отдельных

волокон, так и в виде жгутов из них. Наибольшее распространение получили

жгуты со случайным распределением передающих и приемных волокон в общем

торце, жгуты, в которых на общем торце группа ПОВ окружена группой ООВ;

жгуты, в которых на общем торце группа ПОВ расположена рядом с группой ООВ

[10].

Авторами предложен более обоснованный подход к выбору взаимного

расположения ОВ в ВОК (в частности, для ВОДД отражательного и проходного

аттенюаторного типов).

Коаксиальное расположение ОВ в жгуте ВОК получило наибольшее

распространение как наиболее простое по технологии изготовления.

Одновременно оно наиболее целесообразно с точки зрения управления световым

потоком (см. п. 2. 4). Изменение взаимного расположения ОВ в жгуте ВОК дает

возможность изменять глубину модуляции оптического сигнала и

чувствительность преобразования ВОДД.

На рис. 3. 10 представлены варианты взаимного расположения ПОВ и ООВ в

общем торце ВОК ВОДД отражательного типа. В первом случае в центре жгута

расположено излучающее ОВ, а вокруг него шесть приемных ОВ (рис. 3. 10, а). Во

втором случае используются четыре ПОВ и три ООВ, причем, одно ПОВ

расположено в центре, а три остальных вокруг него, чередуясь с ООВ (рис. 3. 10,

б). В третьем случае центральное излучающее волокно заменено на приемное (рис.

3. 10, в).

Оценим эффективность каждой из представленных схем расположения ОВ.

Для этого примем ряд допущений: мощность Рпр отраженного светового потока,

поступающего в каждое ООВ от каждого ПОВ, примем за условную единицу, т. е.

Рпр= 1 у. е.;

137

Рис. З.10. Геометрические построения к обоснованию взаимного расположения подводящих и отводящих ОВ в жгуте: . сердцевина подводящего (излучающего) ОВ,

О сердцевина отводящего (приемного) ОВ.

мощности излучения любого ПОВ равны между собой; диаграмма распределения

светового потока на торце любого ПОВ симметричная и равно-

138

Таким образом, при одном и том же количестве ОВ в жгуте, равном семи,

эффективность вариантов б) и в) в 1, 5 раза выше варианта а). Именно такое

расположение волокон в общем торце ВОК обеспечивают максимальную

чувствительность преобразования и выходную мощность оптического сигнала, так

как каждое из излучающих волокон дает максимальный вклад в отклик ПИ.

Предпочтительность применения последних двух схем друг перед другом

можно оценить, рассмотрев конструктивные особенности узлов стыковки

источника излучения с ООВ и ПОВ с приемником излучения (рис. 3. 11 б, в).

Как отмечалось, наибольшее предпочтение отдается ИК- светодиодам и

фотодиодам (см. п. 1. 4), в частности, наиболее предпочтительна пара светодиод

ЗЛ107Б - фотодиод КФДМ (см. п. 3. 1), для которой коэффициент спектрального

согласования η(λ) ≈ 1. Кроме того, их габаритные размеры значительно меньше,

чем у других ИИ и ПИ (02, 5x6 и 04x8мм соответственно). Размер излучающей

площадки светодиода составляет 1, 5x1, 5 мм, а приемной площадки фотодиода -

2, 5x2, 5 мм.

На рис. 3. 11, 6 приведены возможные варианты расположения ОВ, внешний

диаметр которых равен 0, 5 мм, относительно светоизлучающей площадки

светодиода ЗЛ107Б и относительно светочувствительной площадки фотодиода

КФДМ. Каждый из вариантов имеет свои достоинства и недостатки. Вариант I

самый компактный и простой в изготовлении, но в нем существенны потери

светового потока, так как максимальную мощность обеспечивают лучи,

исходящие из центра ИИ, а в этой зоне отсутствует ПОВ. С этой точки зрения

более предпочтителен II вариант, у которого одно из ПОВ расположено по центру

ИИ. Некоторые неудобства создает несимметричное расположение волокон в

жгуте. Но при изготовлении

139

можно использовать небольшие отрезки технологических волокон,

обеспечивающих совпадение оптических осей ИИ и центрального ПОВ.

© - сердцевина излучающего волокна; О - сердцевина приемного волокна.

Рис. 3. 11. Обоснование взаимного расположения ОВ относительно ИИ и ПИ.

140

Кроме того, такое расположение ОВ в жгуте позволяет в процессе настройки

датчика по уровню выходного сигнала отследить угловое отклонение диаграммы

направленности светодиода путем взаимного углового перемещения жгута и ИИ

относительно друг друга вдоль оптической оси. Третий вариант не обеспечивает

такой возможности, так как ПОВ в нем растянуты вдоль некоторой поперечной

оси, а наибольшее распространение получило именно угловое смещение

диаграммы направленности излучения светодиодов, а не поперечное. В то же

время такой жгут прост в изготовлении.

Взаимное расположение ООВ в жгуте со стороны приемника излучения

практически не влияет на метрологические характеристики, так как приемная

площадь ПИ превышает суммарную площадь жгута ОВ в любом их сочетании.

Если поменять местами положение подводящих и отводящих жгутов

относительно ИИ и ПИ (рис. 3. 11, в), то наибольший эффект в этом случае будет

достигнут, если одно из ПОВ будет расположено по центру.

С учетом вышеизложенного, а также результатов экспериментальных

исследований (см. п. 4. 2), для более эффективного ввода излучения в ПОВ целесообразно использовать вариант II.

Выбор количества и взаимного расположения ОВ в кабеле ВОДД проходного типа.

Преимущество датчиков проходного типа перед датчиками отражательного

типа в том, что в них достаточно просто реализовать дифференциальное

управление световым потоком в зоне измерения. Это объясняется простотой

технической реализации дифференциальных аттенюаторов (см. п. п. 4. 5. 6).

Дифференциальное управление световым потоком позволяет значительно снизить

влияние на точность измерений неинформативных параметров внешней среды и

изгибов ВОК (см. п. п. 2. 4. 4).

141

В ВОК датчика проходного типа (в частности, аттенюаторного) с одного

конца ОВ объединены в два общих жгута, расположенные в зоне измерения

напротив друг друга, между ними расположен аттенюатор, изменяющий свое

положение под действием измеряемого давления (рис. 3. 12). С противоположной

стороны ОВ объединены в два или три (для дифференциального датчика) жгута,

один торец которых соединяется с ИИ, а два других - с первым ПИ1 и вторым ПИ2

(для дифференциального датчика) приемниками излучения соответственно.

В зависимости от выбранной конструкции аттенюатора возможны два

варианта конструктивного исполнения ВОК в данных датчиках: если применяются

аттенюаторы, выполненные в соответствии с рис. 2. 20 начало, то применяются

одно ПОВ и два ООВ, если применяются аттенюаторы, выполненные в

соответствии с рис. 2. 20 продолжение или конец, то можно применять одно ПОВ

и шесть ООВ.

В первом случае с ИИ соединяется одно ПОВ, а каждое из двух ООВ

соединяются с одним из ПИ соответствующих измерительных каналов. Такое

конструктивное исполнение позволяет применять дифференциальные ПИ, что

снижает температурную погрешность, обусловленную изменением интегральной

чувствительности светочувствительного слоя ПИ.

Во втором случае с ИИ соединяется одно ООВ, а к каждому из двух ПИ

подводятся по три ООВ, соответствующих двум измерительным каналам датчика.

В общем торце относительно аттенюатора (шторки) шесть ООВ расположены по

три симметрично относительно оптической оси ПОВ.

Мультипликативные погрешности, обусловленные изменением све-

топропускания ПОВ и ООВ при изгибах ВОК, воздействии ударов, вибра-

142

143

ции, линейного ускорения и т. д. в дифференциальной схеме практически

исключены, если все ОВ расположены в одном жгуте и испытывают одинаковые

внешние воздействия (климатические и механические). Здесь необходимо

отметить, что вышесказанное справедливо, если изгиб волокна не превышает

некоторого критического значения, определяемого выражением (3. 6). В

противном случае изгибы ОВ ведут к существенному снижению интенсивности

оптического сигнала, поступающего или в зону измерения или на ПИ, сравнимому

с минимальным уровнем информативного сигнала.

Погрешности из-за неточности юстировки ПОВ и ООВ друг относительно

друга в зоне измерения несущественны, если ООВ двух измерительных каналов

смещены относительно ПОВ в противоположные стороны, в противном случае

они Moiyr достигнуть 10%. Погрешности из-за неточности изготовления

аттенюатора можно существенно снизить в процессе настройки датчика

юстировкой ПОВ относительно отверстий в шторке и ООВ.

Точность ВОДЦ в значительной степени зависит от стабильности параметров

ВОК. ВОК вносит существенную погрешность ΔΒОК в результат измерения, что

связано с уменьшением светопропускания ОВ при изгибах ВОК [18]. Данную

погрешность целесообразно представить в виде суммы двух составляющих ΔΒΟΚ = ΔΘ + Δα, (3. 5)

где ΔΘ, Δα - погрешности, обусловленные возникновением излучательных мод

апертурных и внеапертурных лучей при изменении радиуса изгиба ОВ.

Несмотря на общую природу проявления этих погрешностей, условия

возникновения и, соответственно, способы уменьшения их различны. Достаточно

простой способ исключения погрешности ΔΘ - отсутствие

144

случайных изгибов ВОК. Предполагается, что ВОК в процессе эксплуатации будет

неподвижно закреплен на объекте, а изгибающие воздействия возможны только во

время сборки, аттестации и испытаний датчиков и проявляются в зоне,

расположенной в непосредственной близости от узла стыковки ИИ и приемного

торца ВОК. Поэтому данный участок ВОК должен иметь жесткую конструкцию,

например, может быть закреплен на жестком стержне (рис. 3. 13).

Погрешность Δα обусловлена тем, что ОВ «захватывают» внеапер- турные

лучи, идущие от ИИ, которые в ОВ частично преобразуются в излучательные

моды, а частично за счет переотражений проходят в зону измерений, что связано с

небольшой длиной (2... 10 м) ВОК, характерной для большинства ВОД. Чтобы

исключить погрешность Δα, необходимо обеспечить не попадание внеапертурных

лучей в ОВ, для чего предлагается начальный участок ОВ закрепить на стержне в

виде спирали с шагом S (см. рис. 3. 13).

Радиус R изгиба ОВ, приблизительно равный радиусу r стержня, выбирается

из условия, что лучи, вошедшие в ОВ в пределах его апертурного угла, должны

испытывать полное внутреннее отражение на границе «сердцевина-оболочка» и

достичь зоны измерения, а внеапертурные лучи -

145

выйти за пределы ОВ на начальном жестком участке, равном длине стержня L.

Для этого должно выполняться следующее условие [6]

где Κmin - минимальный радиус изгиба ОВ;

nс, n0 - показатели преломления сердцевины и оболочки ОВ;

rс- радиус сердцевины ОВ.

С точки зрения механической прочности минимальный радиус изгиба

должен отвечать условию:

а механические напряжения изгиба, возникающие в ОВ при накручивании,

должны быть в 2... 3 раза меньше допустимых [σдоп], откуда

где Е - модуль Юнга оптического волокна; rов - радиус ОВ в покрытии.

Известно также, что при увеличении шага скрутки S радиус R изгиба ОВ

увеличивается, а величина напряжений уменьшается, поэтому целесообразно

стремиться к максимальному увеличению шага S. С учетом вышесказанного

радиус Rmin изгиба ОВ должен отвечать условиям (3. 6) - (3. 8).

Мощность светового потока Р, поступающего по ОВ в зону измерений,

определяется выражением

где к - коэффициент потерь светового потока в узле стыковки ИИ и ОВ; τL, τR - коэффициенты потерь светового потока в ОВ по длине волокна L и в зависимости от радиуса R изгиба волокна соответственно;

Точность ВОДД в значительной степени зависит также от стабильности

параметров ИИ. Если датчики эксплуатируются в сложных условиях, то в

качестве ИИ используются светодиоды как наиболее надежные и отвечающие

комплексу жестких требований (см. п. 2. 3) [19]. В то же время для светодиодов

характерна температурная нестабильность параметров, например, мощность

излучения ИК- светодиодов типа ЗЛ107Б изменяется на 30% при изменении

температуры окружающей среды в диапазоне ±50°С. Известно [18], что при

подключении арсенидо-галлиевых светодиодов к генератору тока интенсивность

излучения Рии падает на величину ΔРии при увеличении температуры Т на

величину ΔΤ, то есть происходит преобразование

что ведет к возникновению температурной погрешности ΔΤ.

Для снижения этой погрешности используют различные схемотехнические

решения: дифференциальное исполнение измерительной схе-

146

147

мы датчика, введение дополнительных схем коррекции и т. п. [14, 15].

Подобные технические решения однозначно ведут к усложнению

аппаратурной реализации ВОДД и не всегда позволяют добиться желаемого

результата. Поэтому авторами в соавторстве предложен способ взаимной

компенсации погрешностей, обусловленных изменением параметров ВОК и

ИИ при изменении температуры окружающей среды.

Методом логарифмического дифференцирования определим

температурную погрешность, вызванную изменением мощности ИИ Рии и

геометрических параметров ОВ, закрепленного на стержне, при изменении

температуры окружающей среды на величину ΔΤ, приняв NA=const. Имеем

Изменения длины L и радиуса R изгиба ОВ повлекут за собой изменение

коэффициентов ΤL И ΤR В соответствии с формулами (3. 10) и (3. 11) и,

соответственно, изменится значение мощности светового потока Р,

поступающего в зону измерений, то есть происходят следующие

преобразования, в результате которых появятся дополнительные погрешности

ΔΤ1 и ΔΤ2 (рис. 3. 14):

Условие температурной компенсации: ΔΤ + ΔΤ1 + ΔΤ2 = 0 или dP/P=0.

Тогда при Δk = 0 и ΔΝΑ ≈ 0 окончательно имеем:

Определим условия, при которых выражение (3. 16) имеет смысл. В

соответствии с рис. 3. 13 длина ОВ, закрепленного на стержне, определится

следующим выражением:

где η - количество витков ОВ, закрепленного на стержне.

При увеличении температуры окружающей среды на величину ΔΤ радиус

r и длина Н стержня, изготовленного из металла с температурным

коэффициентом линейного расширения (TKЛR) ат, увеличатся на значения:

Соответственно, увеличатся радиус R и длина L оптического волокна,

закрепленного на стержне, на значения

С достаточной точностью можно считать, что при подключении арсе-

нидогаллиевых светодиодов к генератору тока изменение мощности из-

148

149

лучения ΔРии линейно уменьшается при возрастании температуры от минус

50 до +50°С, т. е.

где m - коэффициент пропорциональности, равный тангенсу угла наклона

зависимости PИИ=f(T) (определяется экспериментально для данного образца

ИИ). Например, для светодиодов типа ЗЛ107Б значение коэффициента m

лежит в пределах 0, 1... 0, 3. Подставив выражения (3. 20), (3. 21), (3. 24) в формулу (3. 16), получим

Для определения геометрических параметров Н, г, п, при которых данное

условие выполняется, составлена программа расчета, в которой параметру η

присваивались значения из ряда 1... 10 с шагом 1, а параметру г - значения из

ряда 1... 15 мм с шагом 1 мм. Искомой величиной являлась высота стержня Н,

изготовленного из алюминия с коэффициентом температурного расширения

ατ=23·10'6 град-1. Выбрано OB с NA=0, 2; rс — 100 мкм; χ ≈ 1, m ≈ 0, 3. Наиболее

оптимальным представляется следующее расчетное соотношение параметров:

n = 15; г = 7, 5 мм; Н = 58 мм; S = 3, 9 мм.

150

3.3. Пример метрологического анализа амплитудных волоконно-оптических датчиков давления аттенюаторного типа.

Как показано в п. 2. 4. 4, дифференциальное управление световым

потоком позволяет значительно снизить влияние на точность измерений

неинформативных параметров внешней среды и изгибов ВОК. Достаточно

просто реализовать дифференциальную схему преобразования сигналов в

ВОДД шторного типа, одной из разновидностей ВОДД аттенюаторного типа.

На рис. 3. 14 приведены конструктивная, структурная и функциональная

схема такого датчика, включающего два измерительных канала, каждый из

которых в отдельности может иметь погрешности, о которых отмечалось в п.

3. 1.

Датчик содержит источник излучения ИИ, от которого по ПОВ часть

светового потока Ф0 направляется в зону измерения, попадает на шторку,

выполняющую роль аттенюатора и жестко соединенную с мембраной.

Мембрана под действием измеряемого давления Р прогибается, шторка

при этом перемещается в направлении Ζ относительно отводящих волокон

ΟΟΒ1 и ООВ2. В зависимости от конструктивного исполнения шторки и от

величины ее смещения на приемные торцы ООВ, и ООВ2 падают световые потоки Φ1 (Ζ) и Φ2(Ζ) соответственно, часть оптических сигналов Ф1 (Ζ) и Φ2(Ζ) с выхода этих волокон поступает на приемники излучения ПИ1 и ПИ2

соответственно, где преобразуются в электрические сигналы I1 и I2. Выходной

сигнал датчика пропорционален их разности I1 -I2.

На функциональной схеме дифференциального ВОДД шторного типа

приняты следующие обозначения:

151

Рис. 3. 14. Дифференциальный ВОДД аттенюаторного (шторного) типа: а) конструктивная схема; б) структурная схема; в) функциональная схема.

152

SM- чувствительность мембраны;

Кшт1, Кшт2 - коэффициенты преобразования первого и второго отверстий в

шторке соответственно;

SИИ- чувствительность ИИ;

Кпов- коэффициент передачи оптического канала «ИИ - ПОВ»;

KООВ1, КООВ2 - коэффициенты передачи первого и второго оптических

каналов «шторка - ООВ» соответственно;

SПИ1, SПИ2 - чувствительности первого и второго ПИ соответственно;

Кву - коэффициент преобразования вычитающего устройства (см. рис. 3. 14,

в).

Функция преобразования будет иметь вид

Метрологическая модель дифференциального ВОДД атгенюаторного типа.

Метрологическая модель дифференциального ВОДД аттенюаторного

(шторного) типа представлена на рис. 3. 15, где приняты следующие обозначения: Δ, - погрешность юстировки ИИ относительно ПОВ;

Δ2, Δ3 Δ4, Δ5 - погрешности из-за неточности начальной установки шторки

относительно ПОВ и ООВ;

Δ6, Δ7 - погрешности из-за неточности юстировки ПОВ и ООВ друг

относительно друга в зоне измерения;

ΔΜ1, ΔΜ2 - погрешности из-за неточности изготовления мембраны, вносимые в

первый и второй измерительный каналы соответственно;

153

Рис.

3. 1

5. М

етро

логи

ческ

ая м

одел

ь ди

ффер

енци

альн

ого

ВО

ДД

што

рног

о ти

па.

154

Δшт1, Δшт2 - погрешности из-за неточности изготовления шторки, вносимые в

первый и второй измерительный каналы соответственно;

Δ8, Δ9 - погрешности юстировки ООВ, и ООВ2 относительно ПИ, и ПИ2

соответственно;

Δ10, Δ11 - погрешности спектрального согласования ИИ и ПИ, и ПИ2

соответственно;

Δлщ1, Δлщ2 - погрешности линейности функций преобразования оптического

сигнала на первом и втором отверстиях шторки соответственно;

ΔЛМ1, ΔЛМ2 - погрешности линейности функций преобразования мембраны

первого и второго измерительных каналов соответственно;

δSM - погрешность чувствительности мембраны, обусловленная изменением

ее параметров при изменении температуры окружающей среды,

воздействии ударов, вибраций, линейных ускорений и т. п.;

δКшт1, δКШТ2 - погрешности, вносимые в первый и второй измерительный

каналы, от прогиба шторки при воздействии на нее поперечных

возмущающих сил и изменения длины шторки под действием

температуры;

δΚПОВ, δКоов1, δΚООΒ 2 - погрешности, обусловленные изменением свето-

пропускания ПОВ и ООВ соответственно, при изгибах ВОК, воздействии

ударов, вибрации, линейного ускорения и т. п.;

- погрешность, обусловленная изменением мощности и диаграммы

излучения ИИ при изменении температуры окружающей среды,

напряжения питания и т. п.;

155

δSПИ1, δSПИ2 - погрешность от изменения интегральной токовой

чувствительности первого и второго ПИ соответственно при изменении

температуры окружающей среды, напряжения питания и т. п.; δη1(λ),

δη2(λ) - погрешность спектрального согласования ИИ и ПИ, и ПИ2

соответственно при изменении температуры окружающей среды;

δΚВУ - погрешность коэффициента преобразования вычитающего

устройства при изменении температуры окружающей среды и

напряжения питания.

Номинальные функции преобразования:

- первого измерительного канала

156

Анализ погрешностей датчика, таких как погрешность юстировки ИИ

относительно ПОВ, погрешность юстировки ООВ относительно ПИ, погрешность

спектрального согласования ИИ и ПИ, погрешности, обусловленные изменением

светопропускания ОВ при изгибах ВОК, изменением

157

мощности и диаграммы излучения ИИ, изменением интегральной токовой

чувствительности ПИ, спектрального согласования ИИ и ПИ, проанализирован в

п. 3. 1. Так погрешности Δ8, Δ9 юстировки ООВ1 и ООВ2 относительно ПИ1 и ПИ2

соответственно, как отмечалось в п. 3. 1, практически равны нулю.

Погрешности Δ10 И Δ11 спектрального согласования ИИ и ПИ, и ПИ2

несущественны, если правильно подобраны пары ИИ - ПИ.

Применительно к дифференциальной схеме целесообразно отметить

следующее:

Погрешности Δ, и δSИИ в дифференциальной схеме, если используется одно

ПОВ, практически равны нулю, так как на выходе ПОВ диаграмма излучения

симметричная круговая, а изменение интенсивности светового потока ведет к

пропорциональному изменению сигналов первого и второго измерительных

каналов.

Если применяются фотодиоды дифференциального типа, когда к одной

светочувствительной площадке подведено первое ООВ, а ко второй - второе ООВ,

то погрешности δSПИ1, δSПИ2 также несущественны.

Мультипликативные погрешности δКПОВ, δΚООВ1 δКООВ2, обусловленные

изменением светопропускания ПОВ и ООВ при изгибах ВОК, воздействии ударов,

вибрации, линейного ускорения и т. д. в дифференциальной схеме будут

допустимой величиной, если все волокна будут расположены в одном жгуте и

находиться под воздействием одинаковых внешних воздействий (климатические

и механические). Необходимо отметить, что вышесказанное справедливо, если

изгиб волокна не превышает некоторого критического значения,

характеризуемого выражением (3. 6). В противном случае изгибы ОВ ведут к

существенному снижению интенсивности оптического сигнала, поступающего

или в зону измерения или на ПИ, сравнимому с минимальным уровнем

информативного сигнала.

158

Погрешности Δ6 и Δ7 из-за неточности юстировки ПОВ и ООВ друг

относительно друга в зоне измерения несущественны, если ООВ1 и ООВ2

смещены относительно ПОВ в противоположные стороны, в противном случае

они могут достигнуть 10% (см. п. 2. 2).

Погрешности из-за неточности изготовления шторки αшт1 И αШТ2 сравнимы с

вышеперечисленными погрешностями по значимости. Уменьшить данные

погрешности можно конструктивным путем, применяя совершенную технологию

изготовления, например, травление каналов для крепле- ния ОВ относительно

друг друга и шторки в единой несущей детали, а при изготовлении шторки,

применяя передовые технологии и технологические приспособления,

обеспечивающие точное формирование отверстий в шторке. В то же время данные

погрешности можно существенно снизить в процессе настройки датчика

юстировкой ПОВ относительно отверстий в шторке и ООВ. Пожалуй, самым

сложным в процессе сборки ВОП является точная юстировка ОВ относительно

отверстий в шторке, так как сама шторка тем или иным образом должна быть

закреплена на мембране, к габаритно-посадочным размерам которой, в свою

очередь, предъявляются достаточно жесткие требования. С этой точки зрения

целесообразно формировать мембрану и шторку как единое целое путем

травления, например, используя кремниевые заготовки.

Тем же способом могут быть существенно снижены погрешности из- за

неточности изготовления мембраны ΔΜ1 и ΔΜ2· Кроме того, данные погрешности

могут быть исключены в процессе настройки путем точной юстировки ОВ

относительно шторки.

Погрешность чувствительности мембраны δSM, обусловленная изменением

ее параметров при изменении температуры окружающей среды, воздействии

ударов, вибраций, линейных ускорений и т. п., в первую очередь, обусловлена тем,

что увеличивается неинформативный прогиб мембраны и, соответственно,

происходит смещение отверстий шторки относи-

159

тельно ОВ в направлении Z. Чтобы снизить это влияние на результат

измерения предпочтительной следует считать шторку, приведенную на

рисунке 2. 19, а, когда ООВ расположены на одной оси Y относительно ПОВ,

тогда дифференциальное исполнение ВОП приведет к пропорциональным

изменениям оптического сигнала в двух каналах. Такое расположении ООВ

также позволяет снизить погрешности δКШТ1, δКШТ2, которые проявляются

при воздействии на шторку поперечных механических воздействий, при этом

последняя испытывает прогиб, и, соответственно, изменяются расстояния от

шторки до ПОВ и ООВ.

Погрешности преобразования каждого из каналов без учета

погрешностей, которыми можно пренебречь, будут определяться

следующими выражениями:

По литературным источникам погрешность δКВУ ориентировочно имеет

величину 0, 25% [19]. Погрешность δSΜ может быть существенно снижена, если

использовать способ снижения температурной погрешности, рассмотренный в п. 4.

2. Таким образом, остаются неисключенными погрешности Δшт1, ΔШТ2,

обусловленные неточностью изготовления шторки, кото-

160

рые, как говорилось выше, можно снизить конструктивнотехнологическим путем,

что ведет к некоторому удорожанию разработанного датчика.

Дифференциальная схема позволяет существенно снизить большинство

погрешностей ВОДД, кроме того, если обеспечить предварительное вычитание

сигналов с выходов каждого из измерительных каналов, можно удвоить

чувствительность преобразования (см. п. 4. 3).

161

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И ОСОБЕННОСТИ

КОНСТРУИРОВАНИЯ ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ

4Л. Принципы конструктивной унификации волоконно- оптических датчиков давления

При конструировании датчиков разработчики, прежде всего, стремятся

заложить передовые научно-технические и технологические достижения с

целью удовлетворить быстро растущие требования потребителя: улучшить

технические параметры, обеспечить работоспособность их в сложных условиях

эксплуатации. Эта тенденция зачастую ведет к росту номенклатуры датчиков и

неоправданным временным и материальным затратам. Чтобы избежать этого

при конструировании ВОДД необходимо обеспечить конструктивную и

технологическую преемственность, то есть добиться максимальной унификации

и стандартизации конструктивных элементов, узлов, материалов и датчиков.

Под преемственностью понимается отбор из существующих наиболее

эффективных, прогрессивных конструкций, технологических процессов,

оснастки и применение их при проектировании, производстве и эксплуатации на

различных изделиях РКТ и др. Необходимо выявить элементы и материалы

конструктивных элементов, которые являются носителями функциональных

узлов датчика, и которые, следовательно, являются элементами и объектами

унификации и стандартизации.

Существование компонентов конструкции как носителей конструктивной

преемственности позволяет представить процесс конструирования в единстве

анализа и синтеза: конструкция расчленяется на относительно стабильные

элементы и компоненты по функциональным признакам, в свою очередь,

оптимальная конструкция синтезируется из относительно стабильных элементов

и компонентов, рекомендуемых к применению во вновь разрабатываемых

конструкциях. В ВОДД к таким компонентам не-

162

обходимо отнести, в первую очередь, упругий элемент и ВОК, представляющий

собой конструктивную совокупность подводящих и отводящих ОВ. Взаимное

расположение ПОВ и ООВ, их количественное соотношение в торцах ВОК

определяется решаемой задачей. Изменение взаимного расположения ОВ

относительного друг друга и изменение количественного соотношения

подводящих и отводящих ОВ сказывается на изменении тех или иных

метрологических характеристик ВОДД, но не ведет к принципиальному

изменению конструкторско-технологического исполнения кабеля (см. п. 3. 3).

На примере ВОДД отражательного типа рассмотрим, каким образом можно

добиться конструктивной унификации измерительного преобразователя и

датчика в целом [19]. В частности, для указанных датчиков разработана

конструкция унифицированного ВОК со стандартными посадочными размерами

оптических разъемов (см. рис. 3. 9). Разработанный ВОК может быть

использован для передачи оптических сигналов от ИП к ОЭБ любого типа

датчика давления, а также к стандартным измерителям оптической мощности

(см. рис. 4. 2).

Оптические разъемы (вилки) с подводящими и отводящими оптическими

волокнами ВОК соединяются с оптическими разъемами (розетками),

закрепляемыми на корпусе ОЭБ (см. рис. 3. 9). С противоположной стороны в

розетках закреплены свето- и фотодиоды (в абсолютном большинстве ВОД

используются инфракрасные светодиоды типа ЗЛ107Б и фотодиоды типа ФД 256

или КФДМ, эксплуатационные характеристики которых наилучшим образом

отвечают жестким требованиям изделий РКТ и ВВТ). Оптический разъем с

общим торцом ВОК закрепляется в несущей детали ИП напротив отражающего

элемента (например, см. рис. 4. 5).

В качестве упругого элемента в ВОДД с открытым оптическим каналом

целесообразно использовать плоскую или стаканообразную мембрану,

163

которая наилучшим образом восстанавливает свое начальное состояние после

снятия нагрузки, простая в конструктивном исполнении. В ВОДД

отражательного типа такая мембрана прекрасно полируется до зеркальной

поверхности. В ВОДЦ аттенюаторного типа к ней с помощью контактной или

лазерной сварки достаточно просто приваривается шторка. Такую мембрану

можно изготовить за одно целое со штуцером (достаточно просто приварить к

штуцеру), с помощью которого датчик крепится на объекте и через который

передается параметр измеряемой среды.

Стаканообразная мембрана наиболее целесообразна в ВОДД с открытым

оптически каналом и по той причине, что в ней обеспечивается

плоскопараллельное перемещение центральной части, что наиболее

целесообразно с точки зрения управления световым потоком в зоне измерения

параметра (см. п. 2. 4).

В соответствии с условиями, в которых обеспечивает измерение датчик,

выбирают материал мембраны. При этом необходимо руководствоваться

основными эксплуатационными требованиями:

• упругие характеристики выбранного материала должны

соответствовать диапазону измеряемого давления с необходимым

запасом;

• материал не должен претерпевать фазовые превращения в

интервале температур эксплуатации;

• упругий материал должен быть химически стоек в рабочей

измеряемой среде, не взаимодействовать с другими

применяемыми материалами;

• модуль упругости материала должен в минимальной степени

зависеть от изменения температуры, то есть ТКМУ должен быть

минимальным.

164

В качестве материала для мембраны рекомендуется выбирать сплавы

аустенитного класса, содержащие значительное количество никеля и хрома, к

их числу относится сплав 36НХТЮ. Этот сплав обладает стабильностью

характеристик в широком температурном диапазоне, достаточной жесткостью

и пластичностью, износостойкостью, коррозионостойкостью, стойкостью к

циклическим изменениям температуры окружающей среды, высокой

отработанностью технологии термообработки, хорошей полируемостью,

освоенной в нашей промышленности и сравнительно невысокой стоимостью

материала. Упругие элементы из этого сплава работоспособны от криогенных

температур до + 350°С и в агрессивных средах.

Принцип конструктивной унификации заложен в большинство

технических решений, рассмотренных в главе 4, когда базовая конструкция

управляющего (модулирующего) элемента, волоконно-оптического кабеля и

других конструктивных элементов применяется в датчиках для измерения

различных диапазонов давления в различных условиях.

Одним из основных принципов конструктивной унификации является

блочно-модульный принцип построения, реализуемый в предлагаемых

датчиках давления. На рисунке 4. 1 приведена блок-схема разработанных ВОДД.

Рис. 4. 1. Блок-схема волоконно-оптического датчика давления: ВОПД - волоконно-оптический преобразователь давления;

ВОК - волоконно-оптический кабель; СУ - согласующее устройство; БПИ - блок преобразования информации

165

В состав датчика давления входит волоконно-оптический преобразователь

давления ВОПД, волоконно-оптический кабель ВОК и согласующее устройство

СУ. Датчик посредством разъема электрически соединяется с блоком

преобразования информации БПИ.

ВОПД предназначен для преобразования измеряемого давления в

изменение интенсивности светового потока, ВОК - для передачи светового

потока от источника излучения в зону измерения и обратно к приемнику

излучения, СУ - для преобразования электрического сигнала в оптический и

оптического в электрический. БПИ обеспечивает электрическое питание

элементов СУ и преобразования электрического сигнала с выхода СУ в

стандартный электрический сигнал, например 0 - 6 В.

Блочно-модульный принцип построения ВОДД позволяет исследовать

технические характеристики отдельных его элементов, узлов и блоков как

стадиях проектирования, так и на стадии изготовления и тем самым обеспечить

высокие метрологические и эксплуатационные характеристики датчика в целом.

Метрологические характеристики ВОДД, в первую очередь, определяются

метрологическими характеристиками ВОПД. Поэтому на стадиях

экспериментальных исследований или экспериментальной отработки

конструкции важно определить оптимальные конструктивные параметры

волоконно-оптического преобразователя. Поэтому целесообразно эти

исследования проводить в отсутствие СУ и ОЭБ, которые сами могут быть

источниками различных отклонений в процессе изготовления датчика. Для этого

предлагается исследовать ВОПД с помощью стандартных или специально

разработанных аттестованных тестеров оптической мощности.

На рис. 4. 2 приведена схема экспериментальных исследований ВОПД на

базе стандартного тестера оптической мощности ОМКЗ-76. Применение данной

схемы обеспечивает независимость результатов экспериментов

166

от особенностей электронной схемы обработки оптического сигнала, так как

применяется стандартный оптический тестер со встроенными источником и

приемником излучения. Такая схема позволяет проводить наиболее объективное

сравнение результатов экспериментов.

На рисунках 4. 5 и 4. 20 приведены схемы экспериментальных

исследований ВОДД отражательного и аттенюаторного типов соответственно со

специально разработанным оптическим тестером. В частности с помощью

указанных схем проводилась экспериментальная отработка возможных

вариантов исполнения ВОК для различного типа ВОПД. 4.2. Особенности реализации волоконно-оптических датчиков

давления отражательного типа.

ВОДД отражательного типа составляют самую обширную группу среди

амплитудных волоконно-оптических датчиков. Это объясняется, во- первых,

универсальностью их применения, во-вторых, простотой конструктивного

исполнения и, в-третьих, совершенной и простой технологией изготовления

отражающих поверхностей. Наибольшее распространение получили зеркальные

отражающие поверхности, не вносящие заметных неинформативных потерь

светового потока в процессе измерения, если преобразования светового потока

происходит в гермозоне (гермозона обеспечивает отсутствие капелек влаги на

отражающей поверхности при изменении температуры).

В ВОДД отражательного типа модуляция оптического сигнала

осуществляется в волоконно-оптических преобразователях за счет перемещения

относительно торцов подводящих и отводящих оптических волокон,

расположенных в одной плоскости, зеркальной поверхности мембраны при ее

прогибе под действием давления (рис. 4. 3).

Схема расположения ОВ в ВОК соответствует рекомендациям,

приведенным в п. 3. 3.

167

168

От источника излучения по ПОВ волны светового потока попадают в зону

измерений на зеркальную поверхность мембраны 1. По ООВ отраженный

световой поток поступает на приемник излучения. Если торец ВОК

контактирует с отражающей поверхностью, то поток к ООВ не проходит. При

увеличении расстояния X поток излучения, заключенный в конусе апертуры

ПОВ, падает на большую площадь мембраны и, по сути, эта площадка

становится «источником» вторичного светового потока, который возвращается

к отводящим оптическим волокнам ООВ. С увеличением площади отраженного

«пятна» наблюдается резкий рост принимаемого светового потока (рис. 4. 4).

При начальной установке ОВ вблизи Х0 изменение потока линейно связано

с изменением расстояния до зеркальной поверхности. Вблизи максимума Xm

выходной сигнал датчика практически не зависит от расстоя-

Рис. 4. 3. Упрощенная конструктивная схема ВОДД отражательного типа.

169

ния до зеркальной поверхности и будет определяться мощностью источника

излучения, потерями в ОВ и отражающими свойствами зеркала.

Для повышения чувствительности преобразования чаще всего используют

восходящую или нисходящую ветвь характеристики ΔΦ/Φ=f(Χ).

170

Ε, μ, рм - модуль упругости, коэффициент Пуассона, плотность материала

мембраны;

Р - перепад давления.

Так как площадь светового пятна SОТР на отражающей поверхности

мембраны ничтожно мала в сравнении с площадью мембраны, то можно с

достаточной точностью считать, что под действием давления Р площадка SОТР

перемещается перпендикулярно оптической оси преобразователя.

Таким образом, под действием измеряемого давления зеркальная

поверхность мембраны перемещается в направлении X. При этом изменяется

положение кольцевой зоны относительно ООВ в направлении Z, которое ведет к

изменению площади SПР приемного торца ООВ, освещенной отраженным от

зеркала световым потоком, то есть SПР=f(P) (см. рис. 2. 11).

При этом в плоскости приемного торца отводящего оптического волокна

наблюдается освещенная кольцевая зона шириной h=2rc, внешний радиус

которой RВНЕШ=2XitgΘNA,

где Xi - текущее значение расстояния от зеркала до волоконно- оптического

кабеля;

rс - радиус сердцевины оптического волокна.

Таким образом, происходит следующее преобразование:

Задача разработчика ВОДД состоит в том, чтобы обеспечить необходимые

функцию преобразования Ф(Р), динамический диапазон измерения оптического

сигнала в диапазоне измерения и глубину модуляции оптического сигнала.

171

Функция преобразования волоконно-оптического преобразователя

отражательного типа запишется:

Ф(Р)=КИсКспКип(Р)Фо, (4. 2)

где Кис, Ксп - коэффициенты передачи трактов «источник излучения -

подводящие оптические волокна» и «отводящие оптические волокна - приемник

излучения», при непосредственном вводе излучения в ОВ КИС определяется

выражением (2. 2) Кис= 0, 1... 0, 3;

Ксп=1 (см п. 2. 3);

Кип(Р) - функция преобразования измерительного преобразователя (ИП); Ф0 -

световой поток источника излучения.

КИП(Р)=К1К2(Р), (4. 3)

где К, - коэффициент, характеризующий распределение освещенности в зоне

измерения, K1=l (см п. 2. 3);

К2(Р) - коэффициент передачи тракта «подводящее оптическое волокно -

мембрана - отводящее оптическое волокно», который записывается

К2(Р)= p∑Sпр/SK, (4. 4)

где р - коэффициент отражения мембраны; ∑SПР - суммарная освещенная площадь торцов ООВ; ∑SПР=nSПР, где n - количество ООВ; SK- площадь кольцевой зоны в плоскости приемных торцов ООВ.

SПР определяется выражением (2. 17), SK - выражением (2. 11).

В соответствии с рис. 4. 3 Xi=X0-δi и с учетом формулы (4. 1)

Начальное расстояние X0 между мембраной и общим торцом ВОК можно

определить графически. Для этого по уравнению (4. 7) строится зависимость

Φ=f(Ρ). На графике данной зависимости выбирается наиболее линейный и

крутой участок (а, б) (см. рис. 4. 4). Х0 соответствует точке б.

То обстоятельство, что основным параметром, определяющим изменение

интенсивности светового потока в процессе измерений, является расстояние

Xi между мембраной и общим торцом ВОК, а чувствительность

преобразования определяется начальным расстоянием Х0, положено в основу

конструктивной унификации по параметрам h и Ro. Задаваясь расстоянием Х0

и максимальным прогибом мембраны δmax на основании имеющейся

априорной информации, для заданных максимальных значе-

172

173

ний давления Р по уравнению (4. 1) находим значения h и Ro, при которых

выполняется условие dФ/dP = max.

Проведем расчет конструктивных элементов мембраны без жесткого

центра ВОДД отражательного типа для следующих исходных данных: Рmax= 5,

10, 14, 28 кгс/см2; Ro < 20 мм; 0, 2 ≤ h ≤ 0, 5 мм. Материал мембраны 36НХТЮ-

Ш (для которого Е =1, 9· 1011 Н/м2). Максимальный прогиб мембраны δmax=100

мкм. Предельные значения толщины мембраны h выбирались из двух условий:

• со стороны меньших значений - возможностями технологического

оборудования в процессе полировки;

• со стороны больших значений - упругими свойствами мембраны.

Результаты расчета представлены в таблице.

Результаты расчетов показали, что одну конструкцию ВОД Д (с одним

радиусом мембраны Ro) можно применять для измерения давления в нескольких

диапазонах, меняя при этом только толщину мембраны h (путем доводки в

процессе полировки). Для измерения давления в больших диапазонах

целесообразно перейти к конструкции с большим радиусом мембраны.

Например, при измерении в диапазоне 0... 300 кгс/см2 радиус мембраны Ro ≈ 35

мм.

Р, кгс/см2 h, мм Ro, мм 5 0, 22 12 10 0, 24 12 14 0, 28 12 28 0, 31 12

Таблица 4. 1

174

Установка и принцип действия для снятия экспериментальных зависимостей Φ/Φ0=f(Ρ).

Для подтверждения выведенных теоретических положений по определению

оптимальных конструктивных параметров ВОПД отражательного типа, а также

для определения количества и взаимного расположения оптических волокон в

ВОК была разработана и изготовлена специальная измерительная установка,

блок-схема которой приведена на рис. 4. 5. Измерительная установка для снятия

экспериментальной зависимости Φ/Φο=f(Ρ) состоит из волоконно-оптического

датчика давления отражательного типа 1, волоконно-оптического кабеля ВОК 2,

имитатора давления 3, микровинта 4 для задания перемещения по оси X, стойки

5 для крепления датчика и микровинта 4, тестера оптического 6, блока питания

7 и соединительного электрического кабеля К1.

Для эксперимента применяются оптические волокна с кварцевой

сердцевиной диаметром dc = 200 мкм и внешним диаметром dОB = 500 мкм.

Расстояние между мембраной и общим торцом волоконно-оптического

кабеля Хо может иметь значения от 0, 7 до 1 мм.

Оптические разъемы датчика соединяются с источником излучения СД-

ЗЛ107Б и приемником излучения ФД-КФДМ соответственно тестера

оптического, таким образом, чтобы торцы передающих оптических волокон

находились напротив источника излучения, а приемных оптических волокон -

напротив приемника излучения.

Микровинт 4 предназначен для задания перемещения имитатора давления

3 вдоль оси X (продольная ось датчика давления). В качестве имитатора

используется элемент в виде «грибка».

175

176

Тестер оптический 6 выполнен в виде малогабаритного переносного

прибора и состоит из фотоэлектрического преобразователя ФП-0, 85, усилителя-

преобразователя, аналого-цифрового преобразователя, электрооптического

преобразователя СИД-0, 85 и индикатора. Входной и выходной оптические

разъемы предназначены для соединения с оптическими волокнами датчика,

заключенными в стандартный наконечник диаметром 2, 5 мм и длиной 8 мм.

Кнопки переключения диапазона измерения предназначены для выбора нужного

диапазона измерения. Диапазон измерения оптической мощности изменяется за

счет переключения коэффициента масштабирования усилителя.

Принцип действия тестера оптического основан на преобразовании

электрического сигнала в оптическое излучение, направляемого в зону

измерения, и оптического излучения, поступающего из зоны измерения на

фотоприемник, в электрический сигнал.

Измерение оптической мощности производится в ваттах в диапазоне волн

(0, 85 ±0, 1) мкм.

Принцип действия измерительной установки следующий.

На тестер оптический 6 подается напряжение питания (12±5) В от внешнего

источника постоянного тока Б5-6, который в свою очередь питается от сети

переменного напряжения 220 В 50 Гц (см. рис. 4. 5); Оптическое излучение с

преобразователя СД-ЗЛ107Б по ПОВ попадает на отражающую поверхность

мембраны датчика; Световой поток, отражаясь от зеркальной поверхности

мембраны, попадает в ООВ, по которым оптическое излучение поступает на

преобразователь ФД-КФДМ; Электрический сигнал (амплитуда)

фотоприемника усиливается входным усилителем, поступает на вход; На

выходах АЦП формируется 3, 5-разрядный цифровой код, значение которого

соответствует измеряемой мощности в ваттах; С

177

АЦП цифровой код поступает на устройство индикации, где отображается на

полупроводниковых индикаторах.

На рис. 4. 6 приведены экспериментальные зависимости W=f(P) оптической

мощности на выходе ВОК для различных Хо, снятые с помощью блок-схемы,

приведенной на рис. 4. 5.

Результаты экспериментальных исследований показали, что изменение

расстояния Хо между ВОК и мембраной на доли миллиметра ведет к изменению

чувствительности преобразования в 2 и более раза. Так, например, при Хо=0, 8 мм

чувствительность преобразования в начале диапазона измерения составляет

приблизительно 3 нВт/кгс/см2, а при Хо=1, 0 мм 6 нВт/кгс/см.

На рис. 4. 7 приведены экспериментальные зависимости W=f(P) оптической

мощности ВОДД, радиус мембраны которой равен 6 мм при Хо=1 мм для ВОК,

выполненного по схеме рис. 3. 10, 6 и для ВОК, выполненного по схеме рис. 3.

10, в соответственно.

Рис. 4. 6. Результаты настройки ВОДД отражательного типа при различных Хо.

178

Рис.

4. 7

. Гра

фик

эксп

ерим

ента

льно

й за

виси

мост

и W

= f

(х),

W=f

(P) п

ри Х о

=1 м

м:

а)

для

ВОК

, вы

полн

енно

го п

о сх

еме р

исун

ок 3

. 10,

6),

б) д

ля В

ОК

, вы

полн

енно

го п

о сх

еме р

исун

ок 3

. 10,

в).

179

Результаты экспериментальных исследований подтвердили вывод о том,

что целесообразно использовать ВОК, выполненный по схеме рисунок 3. 10, 6,

в котором 3 ПОВ и 4 ООВ, так как в этом случае чувствительность

преобразования выше и больше глубина модуляции оптического сигнала.

На рис. 4. 8 приведены экспериментальные результаты температурных

испытаний лабораторного макета датчика, конструктивная схема которого

соответствует приведенной на рис. 4. 3: экспериментальные зависимости

W=f(P) оптической мощности на выходе ВОК для различных температур,

полученные с помощью схемы, приведенной на рис. 4. 2. Температурная

погрешность составила 10% при воздействии пониженной до минус 60°С

температуры и не превышает 2% при воздействии повышенной до +60°С

температуры.

К достоинствам измерительного преобразователя рассмотренной

конструкции ВОДД отражательного типа следует отнести высокую

чувствительность преобразования. Одновременно, любое изменение

начального

Рис. 4. 8. Результаты экспериментальных исследований ВОДД при изменении температуры окружающей среды.

180

зазора Х0, обусловленное неточностью сборки и изготовления деталей, может

привести к аддитивной погрешности, а при изменении температуры

окружающей среды - к мультипликативной погрешности.

Снижения аддитивной погрешности, до допустимой величины,

обусловленной изменением начального зазора Х0 можно добиться

конструктивным путем.

Конструктивный способ снижения температурной погрешности ВОДД отражательного типа.

Как правило, начальный зазор Х0 устанавливается с помощью

металлической прокладки, как показано на рис. 4. 9, а. При изменении

температуры окружающей среды на значение ΔΤ происходит линейное

изменение высоты h прокладки в соответствии с известным выражением

где h, ht - высота прокладки при нормальной температуре и при изменении ее

на значение ΔΤ;

α - температурный коэффициент линейного расширения материала

прокладки.

Изменение высоты прокладки на величину Δh=ht-h приведет к

изменению выходного сигнала, т. е. появится температурная погрешность.

Аналогичные явления происходят и в ВОДД, где начальный зазор Х0 задается

конструкцией несущей детали, например, корпуса, линейные размеры

которого также изменяются в соответствии с выражением (4. 8) (рис. 4. 9, 6).

Для снижения возникающей при этом погрешности предложено

использовать прокладку высотой h>X0 из материала, ТКЛР α2 которого

больше ТКЛР α1 материала мембраны.

В качестве примера на рис. 4. 10 приведена упрощенная конструктивная

схема датчика с такой прокладкой.

181

Датчик содержит ПОВ 1 и ООВ 2, общий торец которых закреплен во втулке

3 на расстоянии Х0 от зеркальной поверхности мембраны 4, выполненной за одно

целое со штуцером 5. Начальный зазор Хо выставляется с помощью прокладки 6.

Втулка 3 жестко закреплена посредством прокладки 6 и корпуса 7 относительно

штуцера 5.

1 - мембрана, 2 - оптические волокна, 3 - втулка для крепления оптических волокон, 4 - прокладка, 5 - корпус.

Рис. 4. 9. Конструктивные схемы ВОДД:

182

Датчик работает следующим образом. Световой поток Ф0 от источника

излучения по ПОВ 1 направляется на мембрану 4. Под действием давления

мембрана 4 прогибается. Интенсивность светового потока, отраженного от нее

изменяется. Отраженный световой поток Ф(Р), изменяющийся в соответствии с

законом изменения давления Р, по ООВ 2 поступает на приемник излучения.

При изменении температуры окружающей среды происходит изменение

геометрических размеров элементов конструкции.

Для исключения температурной погрешности датчика, обусловленной

изменением зазора между зеркальной поверхностью и торцами ОВ, при изменении

температуры на величину ΔΤ необходимо, чтобы зазор Х0 оставался неизменным.

Рис. 4. 10. Конструктивная схема ВОДД с прокладкой.

183

Кроме того, необходимо, чтобы элементы конструкции датчика, находящиеся

справа от сечения А-А, проходящего через поверхность штуцера 5,

контактирующую с поверхностью прокладки 6, имели такой же ТКЛР, что и

материал прокладки 6.

В рекомендуемом варианте материал мембраны 36НХТЮ, для которого

α1=14·10'6 1/°С, а материал прокладки - 29НК, для которого α2=5·10-6 1/°С. Если

Хо≈0, 7 мм, высота прокладки h ≈ 1, 1 мм.

Такая конструкция датчика обеспечивает более высокую точность измерения

давления. Причем данное техническое решение не требует существенного

усложнения конструктивного или схемного решения датчика.

Другой способ снижения температурной погрешности из-за изменения

геометрических размеров конструкции ВОДД отражательного типа, в частности,

обусловленной неинформативным изменением расстояния между ВОК и

мембраной, основан на введении в конструкцию коллимирующей линзы 8,

формирующей параллельный ход лучей в сторону мембраны (рис, 4. 11, а).

Экспериментальные исследования линзового варианта ВОПД, результаты

которого приведены на рис. 4. 12, показали, что в этом случае целесообразно

использовать ВОК с центральным расположением ПОВ (см. рис. 3. 10, а).

Очевидно, что высота ho втулки должна быть больше зазора Хо, а материал

мембраны иметь ТКЛР α1 больше, чем ТКЛР α2 материала прокладки. При этом

должно выполняться условие

184

Рис. 4. 11. Волоконно-оптический датчик давления с линзой: а - конструктивная схема; б - расчетная схема

185

186

Если общий торец ВОК с центральным расположением ПОВ расположен в

фокусе линзы 8 на расстоянии 1 от нее, определяемом выражением

где SF - вершинное фокусное расстояние линзы; свет падает на зеркальную

поверхность мембраны 2, отражается от нее параллельным потоком. При изменении

давления Р изменяется радиус изгиба мембраны, т. е. изменяется угол γ между

оптической осью ВОК и плоскостью мембраны (рис. 4. 11, 6). Соответственно,

изменяется площадь светового пятна SAA в приемной плоскости А-А и освещенная

площадь SПР ООВ, расположенных в общем торце кабеля 4. Здесь происходят преобразования

В соответствии с геометрическими построениями (см. рис. 4. 11, 6)

где dл - диаметр линзы;

δ - прогиб мембраны, определяемый выражением (4. 1); γ - угол между оптической

осью и касательной, проведенной в точке пересечения крайних лучей светового

потока с поверхностью мембраны.

По аналогии с выражением (4. 4) коэффициент передачи тракта «подводящее

оптическое волокно - мембрана - отводящее оптическое волокно» определяется как

Расстояние L между мембраной и плоскостью А-А, где расположены

рабочие торцы ОВ, выбирается в зависимости от прогиба мембраны δ,

однозначно связанного с давлением Р.

Для повышения чувствительности преобразования необходимо, чтобы

угол γ в диапазоне измеряемого давления Р изменялся как можно больше в

пределах зоны чувствительности ООВ, а это достигается увеличением радиуса

Ro мембраны. Это обстоятельство следует отнести к недостаткам данной

конструкции. Кроме того, введение линзы ведет к увеличению продольных

габаритов датчика, в некоторой степени снижает надежность конструкции,

снижает уровень оптического сигнала из-за дополнительных потерь в

материале линзы.

Повышения чувствительности преобразования можно добиться также

увеличением расстояния 1 между линзой и общим торцом ВОК, при этом

световой поток на зеркальную отражающую поверхность будет поступать

сходящимся пучком. Поэтому изменение интенсивности светового потока,

падающего на ООВ, будет зависеть как от изменения формы мембраны 2,

187

188

то есть от угла у, так и от изменения расстояния (Х0 - δ) между мембраной 2 и

оптической системой (линзой).

При этом будут происходить следующие преобразования:

Соответственно, этот вариант будет иметь достоинства и недостатки

предыдущих двух вариантов.

ВОДД отражательного типа с компенсационным каналом.

В ВОДД отражательного типа трудно реализовать дифференциальное

управление световым потоком (см. п. 2. 4. 4), которое позволяет существенно

снизить большинство погрешностей. Поэтому предлагается реализовать ВОДД

отражательного типа с компенсационным каналом, в котором существенно

снижаются многие погрешности.

На рис. 4. 13 представлена упрощенная конструктивная и структурная

схемы ВОДД отражательного типа с компенсационным каналом. Датчик

содержит мембрану и жгуты подводящих и отводящих оптических волокон

рабочего и компенсационного каналов (см. рис. 4. 13, а). Рабочий жгут ОВ

установлен напротив зеркальной поверхности мембраны, перемещающейся в

соответствии с законом изменения давления Р, а компенсационный жгут -

напротив неподвижного зеркала, жестко закрепленного в корпусе датчика.

Часть светового потока К1Ф0=Ф’ОР, сформированного источником

излучения, передается по ПОВР в зону измерений в направлении мембраны,

другая часть светового потока К2Ф0=Ф’ок того же ИИ по ПОВк направляется на

неподвижное зеркало. Отраженные световые потоки ФР=f(Р) и

189

Φκ=const по ООВр и ООВк поступают на приемники излучения РПИ и КПИ

соответственно. Сигналы J1(X) и J2 с выхода РПИ и КПИ поступают на вход

блока преобразования информации, где осуществляется операция деления

JP(P)/JK.

Такое техническое решение дает возможность значительно снизить

погрешность, обусловленную неинформативными изгибами ВОК,

температурную погрешность, обусловленную изменением параметров

источников и приемников излучения, так как указанные факторы вызывают

пропорциональные изменения сигналов в рабочем и компенсационных каналах,

которые не влекут изменения их отношения.

На рис. 4. 14 представлен общий вид опытного образца датчика.

Корпус 1 датчика, изготовленный из сплава 36НХТЮ-Ш, представляет

собой стакан, дно которого со стороны волоконно-оптического кабеля

отполировано до зеркальной поверхности и выполняет роль мембраны. К

корпусу 1 с помощью сварки крепится втулка 2 из стали 36НХТЮ-Ш. С зазором

0, 7... 1, 2мм относительно мембраны во втулке 2 крепится с помощью сварки

наконечник 3 из сплава 29НК, который одновременно является конструктивным

элементом ВОК. Зазор задается переменной по толщине прокладкой 4 из стали

29НК. По центру наконечника 3 вклеены оптические волокна 5 общего торца

ВОК, а в глухом отверстии наконечника - неподвижное зеркало 6 и

расположенные напротив него оптические волокна 7 компенсационного канала

датчика.

190

Рис. 4. 13. Волоконно-оптический датчик давления отражательного типа с компенсационным каналом: а) конструктивная схема, б) структурная схема. ВОДД - волоконно-оптический датчик давления; ВОПД - волоконно-оптический преобразователь давления; СУ - согласующее устройство; ВОК - волоконно-оптический кабель; БПИ - блок преобразования информации; ИИ - источник излучения; РПИ, КПИ - приемники излучения рабочий и компенсационный; ООВр, ООВк - отводящие оптические волокна рабочее и компенсационное; ПОВр, ПОВк - подводящие оптические волокна рабочее и компенсационное.

191

Рис.

4. 1

4. О

бщий

вид

ВО

ДД

отр

ажат

ельн

ого

192

Полость волоконно-оптического преобразователя заполняется инертным

газом аргоном, что исключает выпадение росы или конденсата на внутренних

зеркальных поверхностях и, соответственно, уменьшает погрешность

измерения при изменении температуры.

Передающие 9, приемные рабочие 10 и приемные компенсационные 11

оптические волокна вклеиваются в наконечник 12 ВОК, изготовленный из

стали 29НК, который одновременно является конструктивным элементом СУ.

В СУ со стороны рабочей поверхности наконечника 12 крепится

фотоблок, представляющий собой держатель 13 из стали 29НК, в который

вклеены светодиод 14, рабочий 15 и компенсационный 16 фотодиоды.

Наконечник 12 с помощью клея ВК-9 крепится в стакане 17,

изготовленном из стали 12Х18Н10Т. К стакану с другой стороны, с помощью

винтов 18, крепится кожух 19. В кожух 19 по резьбе вворачивается розетка 20

типа СНЦ 13-10/10Р-11-В, к контактам которой подпаиваются выводы

светодиода 14 и фотодиодов 15 и 16. Полученная сборка заливается клеем ВК-

9 с двуокисью циркония, таким образом, чтобы клей не попал на линзы свето-

и фотодиодов.

СУ соединяется с блоком преобразования информации с помощью

розетки 20.

ВОДД работает следующим образом.

Световой поток, излучаемый светодиодом 14, по передающим ОВ 9

направляется в сторону отражающей поверхности мембраны, которая

прогибается под действием давления среды; При этом изменяется

интенсивность отраженного от нее светового потока, поступающего в

приемные рабочие ОВ 10; С выхода ОВ 10 световой поток попадает на

светочувствительную площадку рабочего фотодиода 16, где преобразуется в

электриче-

193

ский сигнал, поступающий на вход БПИ и не зависящий от измеряемого

давления.

Для компенсации изменения мощности излучения светодиода 14 и

неинформативных потерь светового потока при изгибах ВОК часть светового

потока светодиода 14 по ОВ 7 компенсационного канала направляется на

неподвижное зеркало 6. Отраженный световой поток по OB 11 направляется на

компенсационный фотодиод 16, где преобразуется в электрический сигнал,

поступающий на вход БПИ и не зависящий от измеряемого давления.

Описание функционирования электрической схемы ВОДД.

Принципиальная электрическая схема функционирования ВОДД

представлена на рис. 4. 15.

В качестве источника излучения применяется светодиод ЗЛ119Б, а в

качестве рабочего и компенсационного приемника излучения применяются

фотодиоды КФДМ.

Через контакты 1 и 2 разъема X1 источник инфракрасного излучения VD1

запитываются напряжением постоянного тока. Часть светового потока ИИ

VD1, отраженного от зеркальной поверхности, поступает на компенсационный

фотоприемник VD2.

Часть светового потока ИИ VD1 отражается от поверхности мембраны и

поступает на рабочий ФП VD3. Рабочий и компенсационный ФП работают в

диодном режиме и питаются соответственно через контакты 6, 9 и 8, 10 разъема

XI подключены к постоянному напряжению 20 В.

194

В таблице 4. 2 приведены результаты температурных испытаний

безлинзового ВОДД отражательного типа с компенсационным каналом,

соединенного с БПИ, с выхода которого снимается стандартный сигнал 0... 6

В.

Таблица 4. 2 Номер Значения входных величин Выходное напряжение, В опыта давление, Р,

кгс/см2 температура, Т С

U1 U2 U3 U4

1 2

0 конечная точка диапа

минус 50 5, 703 5, 698 5, 691 5, 694

зона (10) минус 50 0, 389 0, 397 0, 387 0, 388 3 4

0 конечная точка диапа

+50 5, 514 5, 517 5, 520 5, 520

зона (10) +50 0, 230 0, 232 0, 234 0, 234 измерение в

нормаль 0

конечная точка диапа +25 5, 888 5, 902 5, 904 5, 904

ных условиях применения

зона (10) +25 0, 360 0, 364 0, 367 0, 367

ПРИМЕЧАНИЕ. Датчик находится в камере, блок преобразования информации вне камеры.

Рис. 4. 15. Принципиальная электрическая схема ВОДД: разъем X1 - розетка СНЦ 13-10/10Р-11-В; VD1 - светодиод ЗЛ119Б;

VD2, VD3 - фотодиод КФДМ.

195

Температурная погрешность не превышает 5%, что в 2 раза меньше, чем

у датчика без компенсационного канала. Результаты подобных испытаний

линзового варианта ВОДД с компенсационным каналом аналогичны

приведенным.

196

4.3. Особенности конструирования волоконно-оптических датчиков аттенюаторного типа.

К достоинствам ВОДД аттенюаторного типа следует отнести высокую

чувствительность преобразования, так как потери светового потока в зоне

измерения здесь незначительные. В то же время, неточная юстировка ПОВ и ООВ

относительно шторки, изменение геометрических размеров мембраны при

изменении температуры окружающей среды могут привести к погрешности

измерения. Как было показано в п. 3. 4 большинство погрешностей ВОДД данного

типа могут быть уменьшены, если в датчике реализована дифференциальная

схема преобразования сигналов. В отличие от ВОДД отражательного типа в

ВОДД аттенюаторного типа достаточно просто реализуется дифференциальное

управление световым потоком непосредственно в зоне измерения (см. п. 2. 4. 4).

Такое техническое решение дает возможность значительно снизить погрешности,

обусловленные изменением мощности источников излучения, чувствительности

приемников излучения, неточностью юстировки и изгибами оптических волокон,

так как указанные факторы вызывают пропорциональные изменения сигналов в

обоих измерительных каналах, которые не влекут изменения их отношения.

В основе ВОДД аттенюаторного типа лежит аттенюаторный

преобразователь перемещения, расчетно-конструктивная схема которого

приведена на рис. 4. 16.

ВОП содержит шторку 1 толщиной t с отверстием, форма которого

выбирается в соответствии с рекомендациями, приведенными в п. 2. 4. 2,

расположенную на расстоянии l1 относительно излучающего торца подводящего

оптического волокна ПОВ2, и отводящие оптические волокна ООВЗ и ООВ4

первого и второго измерительных каналов, расположенные на расстоянии L от

ПОВ2.

197

ВОПД функционирует следующим образом: От источника излучения по

подводящему оптическому волокну ПОВ 2 световой поток Ф0 направляется в

сторону шторки 1; Под действием измеряемой физической величины (давления)

шторка 1 перемещается на величину Ζ относительно торцов отводящих

оптических волокон (ООВ) 3 и 4, что ведет к изменению интенсивности световых

потоков Φ1 (Ζ) и Φ2(Ζ), поступающих по отводящим волокнам на

светочувствительные площадки приемников излучения (фотодиодов) первого и

второго измерительных каналов соответственно; Приемники излучения

преобразуют оптические сигналы в электрические I1 и I2, поступающие на вход

блока преобразования информации; В БПИ осуществляется операция деления

сигналов I1 и I2, что позволяет компенсировать изменения мощности излучения

светодиода и неинформативные потери светового потока при изгибах оптических

волокон, так как их отношение не зависит от указанных факторов. Для повышения

чувствительности преобразования можно сформировать отношение разности

сигналов I1 и 12 к их сумме [26].

Рис. 4. 16. Упрощенная конструктивная схема аттенюаторного преобразователя перемещения.

198

Функция преобразования ВОП зависит от способа модуляции

оптического сигнала в зоне измерения. В ВОП перемещения аттенюаторного

типа модуляция оптического сигнала осуществляется за счет перекрытия

части светового потока непрозрачным экраном под действием измеряемой

физической величины [15].

Функция преобразования Φ(Ζ) ВОП аттенюаторного типа имеет вид

Для целенаправленного управления поведением функции

преобразования необходимо, чтобы коэффициент К0 был равен 1. Очевидно,

что при К0=1 поведение функции преобразования Φ(Ζ) будет оцениваться по

поведению функции передачи оптического тракта, т. е. коэффициента Κшт(Ζ).

Расчетная схема измерительного преобразователя датчика при

управлении световым потоком при помощи шторки с круглым отверстием,

перемещающейся вдоль оси Ζ представлена на рис. 4. 17.

199

Sc - площадь поперечного сечения сердцевины ОВ;

SА-А -площадь поперечного сечения светового потока в плоскости А-А. L -

расстояние расположения приемных торцов ООВ.

Рис. 4. 17. Расчетная схема аттенюаторного преобразователя

Площадь SZ3 представляет собой сумму площадей двух круговых секторов

S13 и S23, образованных взаимным пересечением двух окружностей: радиусом rс,

равным радиусу сердцевины ОВ и радиусом Rcn, равным радиусу светового

потока, прошедшего через отверстие в шторке в плоскости расположения

приемных торцов ООВ. Причем

Расстояние L выбирается так, чтобы световой поток в плоскости А-А

полностью перекрывал торцы ООВ в нейтральном положении шторки (при Z=0).

200

т. е. определяется параметрами выбранного оптического волокна.

Площадь сечения Sz зависит от смещения шторки в направлении Z. Для примера

определим Sz для ООВЗ:

Тогда с учетом выражений (4. 17) - (4. 19) для Sz3 получим:

а)......................................................................................................................................... 33

33 .................................................................................................................................... 34

40 .................................................................................................................................... 41

(2. 1) ....................................................................................................................................... 58

58 .................................................................................................................................... 59

59 .................................................................................................................................... 60

60 .................................................................................................................................... 61

62 ........................................................................................................................................ 63

β=arctg dc/〖2x〗i ........................................................................................................................... 68

75 ........................................................................................................................................ 76

(2. 10) ......................................................................................................................................... 76

(2. 11) ......................................................................................................................................... 76

76 ........................................................................................................................................ 77

77 ........................................................................................................................................ 78

78 ........................................................................................................................................ 79

80 ........................................................................................................................................ 81

83 ........................................................................................................................................ 84

K=Sпр/SK, (2. 22) ................................................................................................................... 89

94 ........................................................................................................................................ 95

95 ........................................................................................................................................ 96

96 ........................................................................................................................................ 97

100 ....................................................................................................................................... 101

102 ....................................................................................................................................... 103

106 .................................................................................................................................... 107

108 .................................................................................................................................... 109

201

114 .................................................................................................................................... 115

117 ....................................................................................................................................... 118

118 .................................................................................................................................... 119

119 ....................................................................................................................................... 120

137 .................................................................................................................................... 138

145 .................................................................................................................................... 146

147 .................................................................................................................................... 148

149 .................................................................................................................................... 150

152 ....................................................................................................................................... 153

159 ........................................................................................................................................ 160

169 .................................................................................................................................... 170

170 .................................................................................................................................... 171

179 ................................................................................................................................ 180

180 .................................................................................................................................... 181

181 ................................................................................................................................. 182

183 .................................................................................................................................... 184

186 .................................................................................................................................... 187

198 .................................................................................................................................... 199

202 ....................................................................................................................................... 205

204 ....................................................................................................................................... 207

206 ....................................................................................................................................... 209

207 ....................................................................................................................................... 210

225 ....................................................................................................................................... 228

СОДЕРЖАНИЕ ........................................................................................................................... 247

где Zi - смещение шторки вдоль оси Z, равное измеряемому перемещению; γ=360°/η.

По аналогии с а3 и D3 находим а, и Di, где i=l... n, где η - количество

отводящих оптических волокон, имеем:

Как видно из выражений (4. 20), (4. 21) они отличаются параметрами аi. Найдем

параметры ai. Для примера найдем аз(I) третьего ООВ первого измерительного

канала ООВЗ(1) (волокна расположены выше оси Y).

Из треугольника A303(I)Oz

202

В общем случае, когда имеется η ООВ, расположенных на одинаковом

расстоянии относительно оптической оси, расстояние Dj(I) первого

измерительного канала для волокон, расположенных выше оси Y (см. рис. 4. 16),

рассчитывается по формуле (4. 24), а для волокон второго измерительного

канала, расположенных ниже оси Y - по формуле (4. 25).

Для частного случая, когда имеем шесть ООВ, расположенных на

одинаковом расстоянии относительно оптической оси (в центре расположено

седьмое технологическое волокно, обеспечивающее симметричность

конструкции кабеля), формулы (4. 24) и (4. 25) принимают вид:

С учетом выражений (4. 12)-(4. 14), (4. 21) выражение (4. 11) для одного

измерительного канала (например, первого) перепишется следующим образом:

где ai, Di определяются выражениями (4. 23) - (4. 25);

RСП - выражением (4. 16).

Так как в ВОДД шторного типа применяется стаканообразная мембрана, на

которой закреплена шторка, то можно считать, что это мембрана с жестким

центром, которая под действием давления Р прогибается на величину δ,

определяемую выражением:

где Р - давление, действующее на мембрану, Н/мм2;

R - радиус мембраны, мм;

Е - модуль упругости материала, Н/мм2; h - толщина

мембраны, мм;

Ар - коэффициент, характеризующий прогиб мембраны:

где μ - коэффициент Пуассона; к - коэффициент,

учитывающий радиус мембраны;

203

где r0 - радиус жесткого центра, мм.

Поэтому выражения (4. 26), (4. 27) с учетом выражений (4. 29), (4. 30)

перепишутся следующим образом:

С учетом выражений (4. 28), (2. 2) функция преобразования ВОПД

запишется следующим образом:

где ai определяются выражением (4. 23); Di - выражениями (4. 31), (4. 32); RСП - выражением (4. 16).

204

205

Анализ выражения (4. 31) показывает, что вид функции преобразования

аттенюаторного преобразователя определяется следующими параметрами:

радиусом сердцевины rс, внешним диаметром dOB, апертурным углом ΘΝΑ ОВ (т.

е. типом используемого ОВ); количеством η ООВ; расстоянием L между

подводящими и отводящими волокнами.

Дифференциальный ВОДД аттенюаторного типа.

На рисунке 4. 18 приведена упрощенная конструктивная схема

разработанного дифференциального ВОДД, поясняющие процесс преобразования

контролируемого давления в изменение интенсивности светового потока.

Мембрана 1 жестко соединена со штуцером 2 или является его частью. В

центре мембраны жестко закреплена шторка 3 на расстояниях l1 и

Рис. 4. 18. - Волоконно-оптический датчик давления аттенюаторного типа.

206

l2 относительно излучающего торца подводящего оптического волокна ПОВ 4

и приемных торцов отводящих оптических волокон ООВ 5 первого и второго

измерительных каналов соответственно. ПОВ и ООВ жестко закреплены в

корпусе 6. Юстировка волокон относительно шторки осуществляется с

помощью металлической прокладки 7, толщина которой подбирается в

процессе настройки датчика.

Проведен расчет конструктивных параметров мембраны с жестким

центром для следующих исходных данных:

Рmax=: 10 кгс/см2; Ro≤12 мм; 0, 2 ≤ h ≤ 0, 5 мм; материал мембраны сплав

36НХТЮ-Ш, у которого модуль Е = 195000 Н/мм2; коэффициент Пуассона μ

=0, 3; допускаемое напряжение [ σ ] = 1200 Н/мм.

Максимальный прогиб мембраны δmax= 100 мкм. Предельные значения

толщины мембраны h выбирались из двух условий: со стороны меньших

значений - возможностями технологического оборудования в процессе

полировки, а со стороны больших значений - упругими свойствами мембраны,

которые характеризуются следующими выражениями:

радиальное напряжение в точках у поверхности на наружном и

внутреннем контурах записывается

207

где [δ] - допускаемое напряжение справочное, Н/мм.

Величина допускаемого напряжения равна

Определены следующие конструктивные параметры волоконно-

оптического преобразователя:

выбрано ОВ диаметром 500 мкм с диаметром сердцевины 200 мкм;

толщина шторки t =0, 25 мм; радиус мембраны R = 6, 6 мм; радиус

жесткого центра r0 =0, 5 мм.

На рис. 4. 19, а) и б) приведены расчетные зависимости δ =Ф(Р) для разных

радиусов и разной толщины мембраны.

Рис. 4. 19. Расчетные зависимости δ =Ф(Р) а) при R= 6, 6 мм; б) при h= 0, 25 мм.

208

Для подтверждения полученных теоретических положений по определению

конструктивных параметров ВОПД аттенюаторного (шторного) типа, а также для

определения количества и взаимного расположения оптических волокон в ВОК

была разработана измерительная установка, схема которой приведена на рис. 4.

20.

Лабораторный макет измерительной установки для снятия

экспериментальной зависимости Φ/Φ0=f(Ρ) состоит из шторки 1, волоконно-

оптического кабеля 2, державки 3, микровинта 4 для задания перемещения по оси

X, стойки 5 для крепления датчика и микровинта 4, тестера оптического 6, блока

питания 7 и соединительного электрического кабеля К1.

Шторка изготовлена таким образом, что имитирует как прямоугольное, так

и круглое отверстие.

Для изготовления ВОК использовались «кварц-кварцевые» оптические

волокна, имеющие внешний диаметр dОВ = 500 мкм, диаметр сердцевины dc=200

мкм. Исследовались два ВОК: в ВОК1 - в приемном торце применялись по одному

ООВ на каждый измерительный канал, в ВОК2 - по три ООВ на каждый

измерительный канал.

Расстояния l1 и l2 между шторкой и ПОВ и ООВ соответственно могут иметь

значения от 0, 5 до 1 мм.

Оптические разъемы ВОК соединяются с источником излучения СД- ЗЛ107Б

и приемником излучения ФД-КФДМ соответственно тестера оптического, таким

образом, чтобы торцы передающих оптических волокон находились напротив

источника излучения, а приемных оптических волокон - напротив приемника

излучения. К приемнику излучения подключаются поочередно оптические

разъемы ВОК, соответствующие первому и второму измерительным каналам

датчика.

Микровинт 4 предназначен для обеспечения перемещения шторки 1 вдоль

оси X (продольная ось датчика давления).

209

210

Остальные конструктивные элементы устройства и принцип действия

измерительной установки соответствуют описанию, приведенному в п. 4. 1 для

схемы на рисунке 4. 5.

На рис. 4. 21 а) и б) приведены экспериментальные зависимости W1 =f(P),

W2=f(P) на выходе первого и второго измерительных каналов для шторки с

прямоугольным и круглым отверстиями соответственно, а на рис. 4. 22 -

зависимости W(P)=W1(P)-W2(P) при применении ВОК2. Сравнительный анализ

полученных зависимостей показывает, что более линейные зависимости

получаются в том случае, когда применяется шторка с прямоугольным

отверстием, в то же время принципиального отличия по линейности и

чувствительности преобразования не наблюдается для сравниваемых случаев,

если определяется разность сигналов W(P)=W1(P)-W2(P).

Поэтому при физической реализации рекомендуется шторка с круглым

отверстием, как более простая в изготовлении.

Как показали исследования, ВОК1 существенно уступает ВОК2 по

оптической мощности, передаваемой на приемник излучения, поэтому не

рекомендуется для использования в реальных образцах датчиков давления.

с прямоугольным отверстием: а) ВОК2, б) ВОК1.

211

Общий вид разработанного дифференциального ВОДД шторного типа

приведен на рис. 4. 23.

Штуцер 1 датчика, изготовленный из сплава 36НХТЮ-Ш, представляет

собой стакан, дно которого выполняет роль мембраны. Мембрана может быть

изготовлена отдельно, а затем посредством сварки соединена со штуцером. К

мембране с помощью сварки крепится шторка 2 из стали 36НХТЮ-Ш с

круглым отверстием диаметром 100... 200 мкм. С зазором 0, 5... 1 мм

относительно шторки 2 с двух сторон во втулке 3 закреплены наконечники 4

(на чертеже не показаны) волоконно-оптического кабеля 5 из сплава 29НК, в

которые вклеены ПОВ 6 и ООВ 7. Для изготовления ВОК используется

оптическое волокно с диаметром сердцевины 200 мкм.

Втулка 3 устанавливается в корпус 8, который посредством сварки

соединен со штуцером 1. Общий торец ВОК 5 с помощью наконечника 9

закрепляется посредством сварки в боковое отверстие корпуса 8. В процессе

сборки датчика перед установкой во втулке 3 наконечники 4 с оптическими

волокнами должны быть предварительно протянуты через это отверстие. Для

грубой юстировки оптических волокон относительно отверстий в шторке

используются металлические плоская прокладка 9 и кольцевая втулка 10.

Втулка 10, кроме того, выполняет роль температурного компенсатора и

изготовлена из стали 29НК (см. п. 4. 2). Остальные конструктивные элементы

ВОПД изготовлены из стали 12Х18Н10Т.

Полость волоконно-оптического преобразователя давления заполняется

инертным газом аргоном, что исключает выпадение росы или конденсата на

внутренних поверхностях преобразователя и, соответственно, уменьшает

погрешность измерения при изменении температуры.

В корпусе 11 согласующего устройства крепится фотоблок,

представляющий собой держатель 12 из стали 29НК, в который вклеены

светодиод 13 и два фотодиода 14. Там же с помощью клея ВК-9 напротив

212

рабочих торцов свето- и фотодиодов крепится общий торец ВОК 5. С другой

стороны СУ крепится розетка 15 типа СНЦ 13-10/10 Р-11-В, к контактам

которой подпаиваются выводы свето- и фотодиодов. Выполненная сборка

заливается клеем ВК-9 с двуокисью циркония.

СУ подключается посредством розетки 15 с блоком преобразования

информации.

Рис. 4. 22, а. Экспериментальные зависимости W1=f(Z), W2=f(Z), W(Z)=W1 - W2 для

шторки с круглым отверстием ВОК2.

213

Рис. 4. 22, 6. Экспериментальные зависимости W1=f(Z), W2=f(Z), W(Z)=W1 -

W2 для шторки с круглым отверстием ВОК1.

214

Рис.

4. 2

3. О

бщий

вид

ВО

ОД

што

рног

о ти

па.

215

4.3. Дифференциальный волоконно-оптический датчик давления проходного типа с оптико-механическим модулятором.

При создании ВОДД вопрос эффективного и оптимального определения

светового потока ИИ является определяющим, так как он обуславливает потери

при вводе излучения в ОВ и существенные неинформативные потери светового

потока в зоне измерения. Это относится, прежде всего, к ВОДД отражательного

и проходного типов. Они имеют существенный недостаток: низкую

чувствительность преобразования dФ/dP в связи с потерями потока в зоне

измерения из-за расхождения света в пределах апертурного угла ОВ. Потери при

этом могут достигать 5... 10 дБ. Кроме того, они имеют высокую температурную

погрешность, обусловленную изменением геометрических размеров датчиков

(например, изменением начального зазора Хо между мембраной и торцом ВОК.

Существенную долю в данную погрешность вносит мембрана, что объясняется

изменением ее геометрических размеров и модуля упругости материала

мембраны.

Указанные погрешности можно уменьшить до допустимых величин, если

прибегнуть к дифференциальному управлению световым потоком с помощью

смещающего изображения оптико-механического модулятора - линзы,

фокусирующие свойства которой позволяют повысить эффективность

использования светового потока, повысить освещенность и снизить размеры

площади изображения SИЗ торца ПОВ в плоскости расположения ООВ до

величины площади приемного торца ООВ. Чтобы введение линзы не повлекло за

собой увеличения габаритов ВОДД, необходимо применять короткофокусную

сферическую линзу (см. п. 2. 4. 3).

Анализ результатов теоретических исследований, приведенных в п. п.

2.4.4, показал, что существенной глубины модуляции (до 30%) оптического

сигнала можно добиться, перемещая линзу в направлении Z относительно ПОВ и

ООВ приблизительно на 0, 03dc, например, если dc = 200

216

мкм, то перемещение по оси Ζ составит 10... 30 мкм. Такие микроперемещения

позволяют применять в качестве мембраны кварцевую пластину или

металлические мембраны малого радиуса. Применение кварцевого стекла

позволяет свести температурную погрешность до минимума. Например,

температурный коэффициент линейного расширения кварцевого стекла марки

С5-1 составляет 5*10-7 1/°С, при изменении температуры в диапазоне от минус 20

до +500°С относительное расширение материала составит 0, 0026 %, а изменение

модуля Юнга обуславливает погрешность, не превышающую 1 %.

Для датчиков отражательного и проходного типа существенно снизится

динамическая погрешность, обусловленная инерционностью мембраны при

больших прогибах, сравнимых с диаметром сердцевины ОВ. Большие прогибы

требуют применения тонких мембран, что не всегда возможно из-за достаточно

трудной технологии точной доводки мембраны до требуемой толщины.

Данные проблемы значительно упрощаются в предлагаемой конструкции

датчика со сферической линзой в виду незначительного прогиба мембраны.

На рис. 4. 24 приведена конструктивная схема ВОДД со сферической

линзой, реализующего дифференциальную схему преобразования оптического

сигнала.

Если мембрана 1 металлическая, то может быть выполнена за одно целое со

штуцером 2, если кварцевая, то жестко закрепляется в штуцере 2 (например,

методом электростатической диффузии). На мембране 1 жестко закреплена линза

3. Линза 3 расположена между ПОВ 4 и ООВ 5 так, что оптические оси ПОВ 4 и

линзы совпадают, а оптические оси линзы и ООВ 5 параллельны, причем ПОВ

расположено на расстоянии 1, равном Sf линзы, а ООВ - на расстоянии 1, (см. п.

п. 2. 4. 4). ПОВ 4 и ООВ 5 расположены одно над другим симметрично

относительно линзы.

217

Для фиксированного начального расстояния Х0 между торцами корпуса 6 и

штуцера 2 применяется прокладка 7, например в виде металлической пленки,

нанесенной по периметру корпуса 6.

Датчик функционирует следующим образом.

От ИИ световой поток Ф0 по ПОВ 4 попадает в зону измерения. Лучи света

с излучающего торца ПОВ 4 выходят под углом ΘΝΑ и падают под углами α1 на

поверхность линзы 3, где преломляются, проходят через тело линзы под углами

βi, вторично падают на противоположную поверхность линзы под углами βi,

преломляются и под углами γi фокусируются в направлении приемных торцов

ООВ 5 (см. рис. 2. 15).

В нейтральном положении при Zi - 0, когда центр изображения совпадает с

оптической осью измерительного преобразователя, открыты верхняя половина

первого ООВ и нижняя половина второго ООВ. Потоки излучения, поступающие

на каждое волокно, Ф1 и Ф2, равны между собой.

Под действием контролируемого давления Р мембрана 1 прогибается на

величину δ, определяемую выражением (4. 1), линза смещается в направлении +Ζ

на величину ΔΖ = δ, что ведет к смещению изображения SИЗ

Рис. 4. 24. Дифференциальный волоконно-оптический датчик давления с опмеханическим модулятором (сферической линзой):

1 - мембрана, 2 - штуцер, 3 - сферическая линза, 4 - подводящие ОВ, 5 - отводящи корпус, 7 - металлическая прокладка,

ИИ - источник излучения, ПИ1 и ПИ2 - приемники излучения.

218

торца ПОВ в плоскости расположения ООВ и изменению освещенной

площади SПР1 и SПР2 приемных торцов ООВ 5 (SПР1 уменьшается, SПР2 -

увеличивается). При этом изменится количество световых потоков Ф1(Р) и

Ф2(Р), несущих информацию о давлении и поступающих по ООВ 5 на первый

ПИ1 и второй ПИ2 приемники излучения соответственно: Φ1(Ρ) уменьшается,

Ф2(Р) - увеличивается. ПИ преобразуют оптические сигналы в электрические,

над которыми осуществляются дальнейшие преобразования. Если сигналы с

выхода ПИ поступают на вычитающее устройство, то на его выходе

наблюдается сигнал, пропорциональный разности потоков излучения. В этом

случае происходят следующие преобразования:

Зависимость Ф/Ф0=(Ф, -Ф2)/Ф0= f(P) практически линейная.

Размеры мембраны 1, сферической линзы 3, расстояния 1 и 1, выбираются

на стадии проектирования из условия обеспечения максимальной

чувствительности преобразования dФ/dP и максимальной глубины модуляции

m оптического сигнала.

В предлагаемом варианте применяются OB с dc=200 мкм, сферическая

линза радиусом rл = 1 мм из кварцевого стекла с n2=nл=1, 47 и f = 3, 33 мм,

значения параметров 1, 1, составляют 2 и 1, 5 мм. В качестве мембраны

применяется кварцевая пластина радиусом Ro= 4... 5 мм.

219

4. 5. Новая конструкция волоконно-оптического датчика давления на туннельном эффекте.

Предлагаемая конструкция датчика на основе оптического туннельного

эффекта может быть применена для измерения больших давлений в условиях

изменения температуры окружающей среды в диапазоне ±100°С как на изделиях

ракетно-космической техники, так на изделиях авиационной,

машиностроительной и других отраслях науки и техники.

Наиболее близким по принципу преобразования информации к

предлагаемому датчику является ВОДД, содержащий подводящий и отводящий

оптические волокна, оптическую призму, на которую микроэлектронно напылена

кольцевая прокладка толщиной, приблизительно равной длине волны источника

излучения, мембрану, воспринимающую измеряемое давление и

перемещающуюся под действием давления относительно гипотенузной грани

призмы [3]. Особо привлекательна в этом датчике возможность применения в

качестве мембраны кварцевой пластины малых габаритов (радиус мембраны при

измерении давления в диапазоне 0... 300

кгс/см составит приблизительно 4... 5 мм). Преимущества датчика с такой

мембраной рассмотрены в п. 4. 4.

В то же время такой датчик имеет и недостатки: конструкция датчика

недостаточна эффективна к применению для измерения в жестких условиях

ракетно-космической техники. К недостаткам следует отметить:

• технологически трудно обеспечить герметичность узла «призма -

мембрана»;

• конструктивно узел стыковки ОВ с призмой достаточно сложный;

• в качестве основного оптического элемента (световода) применяется

прямоугольная призма, в основании которой лежит прямоугольный

треугольник, для обеспечения угла падения света

220

на отражающую поверхность, роль которой выполняет гипотенузная

грань призмы, чтобы обеспечить необходимую чувствительность

преобразования, необходимо достаточно точно до долей градуса

выдерживать требуемый угол. Для контроля точности угла

необходимо применять высокотехнологическое оборудование и

специальную оснастку и измерительное оборудование, что

значительно усложняет технологическое исполнение и серийное

изготовление датчиков;

• необходимо высокоточно установить торцы подводящих и отводящих

оптических волокон относительно призмы;

• при эксплуатации в сложных условиях при воздействии вибраций,

ударов, температур и т. п., необходимо обеспечить высоконадежный

контакт между торцами оптических волокон и гранями призмы, что

является достаточно сложной технологической проблемой.

Авторами предложены новая конструкция ВОДД на туннельном эффекте,

исключающая вышеуказанные недостатки (рис. 4. 25), и процесс конструкторско-

технологического исполнения датчика (рис. 4. 26, 4. 27). Датчик содержит

кварцевую мембрану 1 с кольцевой прокладкой толщиной, равной длине волны

источника излучения; деталь треугольной формы 2 («подушку») с углом при

вершине 2Θ с боковым углублением, повторяющим форму и размеры оптических

волокон; подводящие и отводящие оптические волокна 3; напыленную

металлическую прокладку 4 толщиной, приблизительно равной длине волны

источника излучения; металлическую крышку 5 из стали 29НК, расположенную

и жестко закрепленную между корпусом и штуцером, которая прижимает ОВ к

детали 2 посредством цен трального сквозного отверстия; металлический корпус

6; штуцер 7; источник излучения ИИ, приемник излучения ПИ. Начальный зазор

Хо выставляется с помощью прокладки 4.

221

Рис. 4. 25. Новая конструкция ВОДД на туннельном эффекте.

222

A-А - плоскость среза и полировки оптического волокна

Рис. 4. 26. Схемно-конструкционное исполнение мембраны с кольцевой прокладкой.

223

Рис. 4. 27. Основные этапы процесса сборки ВОДД на туннельном эффекте.

224

Датчик функционирует следующим образом: от источника излучения ИИ

световой поток Ф0 по ПОВ 3 направляется в сторону мембраны 1 под углом Θ,

величина которого задается формой и размерами «подушки» 2, и выбирается из

условия обеспечения максимальной чувствительности преобразования и

глубины модуляции оптического сигнала в соответствии с выражением

arcsin (n2/n1) < Θ < arcsin (nз/n1),

где n1, n2, n3 - коэффициенты преломления сердцевины ОВ, среды между

мембраной и ОВ, кварцевой мембраны соответственно [3].

Под воздействием контролируемого давления Р мембрана 1 прогибается,

и в центральной части зазор между мембраной и отполированными торцами

оптических волокон 3 будет меньше первоначального значения Х0. В

результате этого изменяется отражательная способность для электромагнитных

волн в области полированных торцов оптических волокон, соответственно

изменяется интенсивность отраженного под углом Θ от данной области

светового потока Ф(Р), несущего информацию о контролируемом давлении Р и

поступающего по ООВ на приемник излучения. Приемник излучения

преобразует оптический сигнал в электрический.

В предлагаемой конструкции отсутствует оптическая призма и,

соответственно, исключены сложные трудоемкие технологические процессы

по ее изготовлению и юстировке. Роль призмы играют рабочие торцы

подводящих и отводящих оптических волокон 3, расположенные под

соответствующим расчетным углом к оптической оси датчика (например, 47

градусов).

Рассмотрим, основные технологические процессы сборки данного датчика

(см. рис. 4. 27):

1. Рабочие торцы оптических волокон 1 временно неподвижно

закрепляются в металлической оправе 2, совместно с оправой срезаются под

углом Θ и полируются по сечению А-А, после этого оправа удаляется (см. рис.

4. 26, а).

225

2. Концы двух оптических волокон 1 (подводящего и отводящего

световой поток), у которых рабочие торцы срезаны под углом Θ, вклеиваются

в металлический корпус 2 из стали 29НК на расстоянии b относительно друг

друга таким образом, чтобы свободные концы волокон выступали над

поверхностью пластины на высоту 1, определяемую из выражения

3. OB 1 укладываются на «подушку» 2.

«Подушка» 2 представляет собой деталь треугольной формы с углом при

вершине, равным 2Θ, с углублением, повторяющим форму оптического

волокна, глубина и ширина углубления соответствуют внешним размерам

оптического волокна. Длина основания треугольника в сечении А-А равна Ь-

dОВ. Для исключения поломки ОВ угол при вершине закруглен, причем

расчетный радиус скругления поверхности углубления, на которую

укладывается ОВ, определяется выражением

Кроме того, чтобы исключить поломку волокон при изгибе, необходимо

выполнить условие R ≥ 5... 10dОВ. Для обеспечения точной сборки,

целесообразно, чтобы допуск на размер R был положительным. Это позволит в

случае необходимости довести его до требуемого значения (см. рис. 4. 27, а).

4. Чтобы оптические волокна лежали на «подушке» 2, они к ней сверху

прижимаются металлической крышкой 3, которая с помощью сварки 4

скрепляется с корпусом 5. Крышка 3 по центру имеет сквозное отверстие,

шириной, равной диаметру оптического волокна dОВ и длиной а, опреде-

полняется клеящим составом, например ситаллоцементом (см. рис. 4. 27, 6).

5. Часть оптических волокон, которая оказалась выше крышки на

величину Н, срезается вдоль поверхности Б-Б и полируется (см. рис. 4. 27, 6).

6. По периметру крышки методом микроэлектронного напыления

наносится металлическая пленка 7 (см. рис. 4. 27, в), которая в датчике будет

выполнять роль кольцевой прокладки 4, толщина h которой задает расстояние

Хо между рабочей поверхностью мембраны 1 и отполированными торцами

оптических волокон 3 (см. рис. 4. 25). Чтобы модуляция оптического сигнала

в зоне измерения осуществлялась за счет туннельного эффекта необходимо,

чтобы толщина прокладки была приблизительно равна длине волны

излучения (например, для инфракрасного излучения h≈l мкм). Внутренний

диаметр пленки должен быть меньше внешнего диаметра мембраны (см. рис.

4. 27, в).

7. Кварцевая мембрана жестко закрепляется в штуцере 7 (например,

методом электростатической диффузии) (см. рис. 4. 25).

8. Полученные сборки соединяются между собой с помощью

импульсной сварки таким образом, чтобы совпали их оси симметрии.

Предложенная новая конструкция ВОДД на туннельном эффекте

работоспособна в жестких условиях РКТ, не требует сложных

технологических и измерительных процессов при конструировании

исерийном изготовлении. Такая конструкция датчика обеспечивает более

высокую точность измерения давления в условиях изменения температуры

окружающей среды.

226

227

ЛИТЕРАТУРА

1. Ахмадиев А. Т., Белоцерковский Э. Н., Патлах А. Л. Современное

состояние и перспективы развития волоконно-оптических

преобразователей уровня. // ОМП, 1986, № 6, с. 51-55.

2. Белоцерковский Э. Н. Многомодовые поверхностно-нерегулярные

световоды и датчики физических и механических величин на их основе. //

ОМП, 1987.

3. Бусурин В. И., Носов Ю. Р. Волоконно-оптические датчики.

Физические основы, вопросы расчета и применения. - М.: Энергоатомиз-

дат, 1990.

4. Бутусов М. М., Галкин С. Г., Оробинский С. П., Пал Б. П. Под

редакцией М. М. Бутусов. Волоконная оптика и приборостроение. - Л.:

Машиностроение, 1987.

5. Окоси Т., Окамато К., Оцу М. и др. Волоконно-оптические

датчики. Под редакцией Т. Окоси. - Л.: Энергоатомиздат, Перевод с

японского, 1990.

6. Под редакцией М. Дж. Хауэс и Д. В. Морган. Волоконно-

оптическая связь. Приборы, схемы и системы. - М.: Радио и связь,

Перевод с английского, 1982.

7. Гольдфарб И. С. Характеристики передачи оптических кабелей

при воздействии механических нагрузок. // Электросвязь, 1980, № 12, с.

16-19.

8. ГОСТ 18353-79. Контроль неразрушающий. Классификация видов

и методов. - М.: Изд-во стандартов, 1980.

9. ГОСТ Р В 50899-96. Сети сбора данных волоконно-оптические на

основе волоконно-оптических датчиков. Общие требования. - М.: Изд-во

стандартов, 1997.

228

10. Жилин В. Г. Волоконно-оптические измерительные

преобразователи скорости и давления. - М.: Энергоатомиздат, 1987.

11. Зак Е. А. Волоконно-оптические преобразователи с внешней

модуляцией. - М.: Энергоатомиздат, 1989 (Б-ка по автоматике, вып. 670).

12. Иванина В. И., Каракчиев С. Н., Орлянский Н. В., Якунин И. А.

Волоконно-оптический сигнализатор уровня жидкости. / Науч. -техн. сб.

Технология. Технология приборостроения. ЦНТИ ПОИСК, 1990, вып. 3, с.

146-153.

13. Красюк Б. А., Корнеев Г. И. Оптические системы связи и

световодные датчики. - М: Радио и связь, 1985.

14. Мещеряков В. А, Мурашкина Т. И., Бадеева Е. А.

Дифференциальный волоконно-оптический датчик давления с оптико-

механическим модулятором. Матер. Международной НТК. Методы и

средства измерений в системах контроля и управления, 22-23 апреля 1999,

Пенза: ПДНТП, 1999, с. 15-17.

15. Мещеряков В. А, Мурашкина Т. И., Бадеева Е. А. Пивкин А. Г.

Волоконно-оптические датчики аттенюаторного типа для летательных

аппаратов. // Датчики и системы, 2003, №. 4.

16. Мурашкина Т. И. Волоконно-оптический сигнализатор уровня

жидкости. // Радиотехника, 1995, № 10, с. 34-35.

17. Мурашкина Т. И. Оригинальная конструкция

рефлексометрического первичного измерительного преобразователя. /

Методы и средства измерения механических параметров в системах

контроля и управления: Тез. докл. Всесоюзн. научн. -техн. конф., 20-22

января 1992. - Пенза, ПДНТП, 1992.

18. Мурашкина Т. И., Бадеева Е. А. Способ снижения температурной

погрешности волоконно-оптических датчиков давления. / Межвуз. сб.

науч. тр. Элементы и приборы систем измерения и управления авто-

229

матизированных производств. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та., 1999, вып.

4, с. 54-57.

19. Мурашкина Т. И., Волчихин В. И. Амплитудные волоконно-

оптические датчики автономных систем управления. Монография. -

Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 1999.

20. Бусурин В. И., Лярский В. Ф., Садовников В. И., Удалов И. П.

Оптоэлектронные преобразователи на основе управляемых световодных

структур. - М.: Радио и связь, 1984.

21. Сб. Основы волоконно-оптической связи. Ред. Е. М. Дианова. - М.:

Сов. радио, 1980.

22. Патлах А. Л. Влияние изгибов на параметры волоконных

световодов. // Светотехника, 1986, № 4, с. 8-10.

23. Пивкин А. Г., Гориш А. В., Бадеева Е. А. Анализ механической

надежности волоконно-оптического кабеля волоконно-оптических

датчиков. / Труды Международного симпозиума. Надежность и

качество, 26 мая-1 июня 2003. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2003, с.

366- 370.

24. Попов С. Н., Парасина А. С., Чагулов В. С. Влияние механических

нагрузок на светопропускание волоконных световодов. // Квантовая

электроника, 1979, № 3.

25. Принципы действия и применения оптико-волоконных датчиков. //

Приборы и элементы автоматики, 1985, № 5, с. 64-70.

26. Сб. Световодные датчики. Красюк Б. А., Семенов О. Г.,

Шереметьев А. Г. и др. - М.: Машиностроение, 1990.

27. Современное состояние и тенденции развития измерительных

преобразователей на основе элементов волоконной оптики. / Обзорная

информация, ЦНИИТЭИ приборостроение, ТС-5, 1987.

230

28. Оптоволоконные сенсоры: принципы и компоненты. Вып. 1: Пер.

с англ. /Под ред. Дж. Дейкина, Б. Калшо. - М.: Мир, 1992.

29. Бабченко А. М., Бусурин В. И., Носов Ю. Р. Оптоэлектронные

преобразователи уровня жидкости // Измерения, контроль,

автоматизация. - 1987. - №2 (62).

30. Сиридов В. А., Хотяинцев С. Н. Первичные преобразователи

дискретных волоконно-оптических уровнемеров // Измерительная

техника. - 1990. -№ 7.

31. Якушенков Ю. Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов.

2-е изд., перераб. и доп. - М.: Сов. Радио, 1980.

32. Чео П. К. Волоконная оптика. Приборы и системы / Перевод с

английского Литвиновой Г. И., Ларина Ю. Т. - М.: Энергоатомиздат,

1988.

33. Котов А. Н., Потапов Т. В., Удалов М. Е. Влияние линейного

двулу- чепреломления на характеристики волоконно-оптического

датчика магнитного поля. Труды Международной конференции

«Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации,

бизнесе» IT’SE, 2001, с. 289-290, Ялта-Гурзуф, 20-29 мая 2001.

34. Гориш А. В., Котов А. Н., Потапов В. Т., Потапов Т. В., Удалов

М. Е. Анализ влияния остаточного линейного двулучепреломления

Bij2Ge02o на характеристики волоконно-оптических датчиков магнитного

поля. / Информационно-измерительная техника, экология и мониторинг,

научные труды, 2001/1, с. 589-594, Росавиакосмос, Москва.

35. Мурашкина Т. И. Повышение надежности // Точность

технологических и транспортных систем: Материалы IV Международной

научно-технической конференции 4-5 июня 1998. - Пенза: изд-во

Пензенского государственного университета, 1998. - 4. 2 - с. 92-93.

231

36. Бурков В. Д., Котов А. Н., Удалов М. Е., Микитан Ю. В. Н4.

Математическое моделирование чувствительного элемента волоконно-

оптического датчика магнитного поля и электрического тока. XXIX

международная конференция и дискуссионный научный клуб. Труды

«Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации,

бизнесе», 2002, с. 174-176, МГУЛ, Московская обл.

37. Абраменко Т. В., Гориш А. В., Кириллов А. Б., Котов А. Н.

Общие принципы конструирования датчиковой аппаратуры для

измерения различных физических параметров. Международный

симпозиум «Надежность и качество», труды международного

симпозиума, 27 мая - 2 июня 2002, с. 202-204, Пензенский

государственный университет, Пенза, 2002г.

38. Котов А. Н. Тенденция современного развития ВОД. VHI Санкт-

Петербургская международная конференция «Региональная

информатика - 2002 (РИ -2002), материалы конференции, часть 2, с. 17,

26-28 ноября 2002, Санкт-Петербург.

39. Бадеев Е. А., Бурков В. Д., Гориш А. В., Котов А. Н., Потапов Т.

В. Волоконно-оптические датчики магнитного поля и электрического

тока на основе кристаллов Bi12Ge02o. «Информационноизмерительная

техника, экология и мониторинг», научные труды, выпуск 6 (2003), с. 188-

205, Росавиакосмос, Москва.

40. Котов А. Н. Требования к элементной базе

информационноизмерительного волоконно-оптического канала

бортового базирования. «Информационно-измерительная техника,

экология и мониторинг», научные труды, выпуск 6 (2003), с. 275-281,

Росавиакосмос, Москва.

41. Бадеева Е. А., Котов А. Н., Потапов В. Т., Потапов Т. В., Удалов

М. Е. Влияние линейного двулучепреломления на характеристики волокон-

232

но-оптического датчика магнитного поля. «Информационноизмерительная

техника, экология и мониторинг», научные труды, выпуск 6 (2003), с. 282-

285, Росавиакосмос, Москва.

42. Малков Я. В., Бурков В. Д., Кузнецова В. И., Котов А. Н., Потапов

В. Т., Гориш А. В., Егоров Ф. А. Микрорезонаторный волоконно-

оптический датчик магнитных полей. RU № 2157512, опубл.

10.10.2000, бюл. № 28.

43. Малков Я. В., Бурков В. Д., Кузнецова В. И., Котов А. Н., Потапов В.

Т., Гориш А. В., Егоров Ф. А. Волоконно-оптический автогенератор. RU №

21673354, опубл. 20. 02. 2001, бюл. № 5.

44. Малков Я. В., Бурков В. Д., Кузнецова В. И., Котов А. Н., Потапов В.

Т., Гориш А. В., Егоров Ф. А. Микрорезонаторный волоконно- оптический

датчик электрического тока. RU № 2170439, опубл.

10.07.2001, бюл. № 19.

45. Бурков В. Д., Дехтяр А. В., Гориш А. В., Коптев Ю. Н.,

Программноаппаратная реализация системы мультиплексирования

микрорезона- торных ВОД температуры. «Экология, мониторинг и

рациональное природоиспользование», научные труды, выпуск 302 (II), с. 87-

95, Росавиакосмос, МГУ Л, Москва, 1999.

46. Бурков В. Д., Егоров Ф. А., Злобин Д. А., Гориш А. В., Коптев Ю. Н.

Численное моделирование эффекта автомодуляции в системе волоконный

лазермикрорезонатор. «Экология, мониторинг и рациональное

природоиспользование», научные труды, выпуск 302 (II), с. 96- 108,

Росавиакосмос, МГУ Л, Москва, 1999.

47. Дехтяр А. В. Методы оптимизации параметров микрорезонаторных

чувствительных элементов для ВОД. «Экология, мониторинг и рациональное

природоиспользование», научные труды, выпуск 302 (И), с. 109-115,

Росавиакосмос, МГУЛ, Москва, 1999.

233

48. Гориш А. В., Котов А. Н., Потапов В. Т., Потапов Т. В., Удалов М. Е.

Анализ влияния остаточного двулучепреломления Bi12GeO20 на

характеристики ВОД магнитного поля. «Информационно-измерительная

техника, экология и мониторинг», научные труды, выпуск 2001/1, с. 589-594,

Росавиакосмос, МГУЛ, Москва, 2001.

49. Бадеева Е. А., Бурков В. Д., Гориш А. В., Котов А. Н., Потапов Т. В.

Волоконно-оптические датчики магнитного поля и электрического тока на

основе кристаллов Bi12GeO20· «Информационноизмерительная техника,

экология и мониторинг», научные труды, выпуск 6/(2003), с. 188-205,

Росавиакосмос, МГУЛ, Москва, 2003.

50. Бадеева Е. А., Гориш. В., Пивкин А. Г. Анализ механической

надежности волоконно-оптического кабеля для датчиков.

«Информационно-измерительная техника, экология и мониторинг»,

научные труды, выпуск 6/(2003), с. 243-254, Росавиакосмос, МГУЛ, Москва,

2003.

51. Бадеева Е. А., Гориш. В., Пивкин А. Г. Обобщенный подход к

метрологическому анализу волоконно-оптических датчиков.

«Информационно-измерительная техника, экология и мониторинг»,

научные труды, выпуск 6/(2003), с. 255-267, Росавиакосмос, МГУЛ, Москва,

2003.

52. Пивкин А. Г. Математическая модель волоконно-оптического

преобразователя аттенюатерного типа. «Информационно-измерительная

техника, экология и мониторинг», научные труды, выпуск 6/(2003), с. 268-

274, Росавиакосмос, МГУЛ, Москва, 2003.

53. Котов А. Н. Требования к элементной базе информационно-

измерительного волоконно-оптического канала бортового базирования.

«Информационно-измерительная техника, экология и мониторинг», научные

труды, выпуск 6/(2003), с. 275-281, Росавиакосмос, МГУЛ, Москва, 2003.

234

54. Бадеева Е. А., Котов А. Н., Потапов В. Т., Потапов Т. В., Удалов М.

Е. Влияние линейного двулучепреломления на характеристики волоконно-

оптического датчика магнитного поля. «Информационноизмерительная

техника, экология и мониторинг», научные труды, выпуск 6/(2003), с. 282-

285, Росавиакосмос, МГУЛ, Москва, 2003.

55. Бадеева Е. А., Мещерякова В. А., Мурашкина Т. И. Волоконно-

оптические датчики давления аттенюатерного типа для летательных

аппаратов. Датчики и системы, 2003, № 2.

56. Мурашкина Т. И. Теория, расчет и проектирование волоконно-

оптических измерительных приборов и систем. Учебное пособие. - Пенза:

Изд-во Пенз. гос. ун-та. -1999. 133 с.

57. Бадеева Е. А. Обоснование конструктивного исполнения

предельных аттенюаторов волоконно-оптических датчиков. Датчики и

системы, 2003, № 4.

58. Потапов Т. В. Температурная стабилизация магнитооптической

модуляции в кристаллах силиката висмута. Радиотехника, № 4, с. 29- 33,

1988.

59. Потапов В. Т., Удалов М. Е., Котов А. Н. Анализ характеристик

многопроходного чувствительного элемента волоконно-оптического

датчика магнитного поля и электрического тока. «Экология, мониторинг и

рациональное природообразование», научные труды, вып. 307(11), с. 197-

204, МГУЛ, Москва, 2000.

60. Т. И. Мурашкина, Н. Д. Конаков, О. В. Преснякова. А. с. № 1693381

СССР, МКИ G 01 В 21/00. Фотоэлектрический датчик перемещений. Опубл.

23. 11. 91, Бюл. № 43.

61. Т. И. Мурашкина, В. В. Блинов, О. В. Преснякова. А. с. № 1696851

СССР, МКИ3 G 01 В 11/00. Оптический датчик перемещений. Опубл. 17. 12.

91, Бюл. №45.

235

54. Т. И. Мурашкина, М. В. Карпов, М. И. Леонова. А. с. № 1698645

СССР, МКИ3 G 01 В 21/00. Оптический датчик перемещений. Опубл.

15.12.91, Бюл. № 45.

55. Т. И. Мурашкина, О. В. Преснякова. А. с. № 1717959 СССР, МКИ

G 01 В 21/00. Оптический датчик перемещений. Опубл.

07.03.92, Бюл. № 9.

56. Т. И. Мурашкина, М. В. Карпов, М. И. Леонова. А. с. № 1765689

СССР, МКИ3 G 01 В 11/00. Оптический датчик перемещений. Опубл.

30.09.92, Бюл. № 36.

57. Лапшов Ю. А., Мурашкина Т. И. Оптоэлектронные датчики

перемещений / / Приборы и системы управления. - 1990. - с. 19.

58. Молчанов А. Г., Мещеряков В. А., Мурашкина Т. И. Теория,

расчет и проектирование измерительных приборов и систем. / Учебное

пособие. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та. - 1998. - 116с.

59. Мурашкина Т. И. Оптоволоконный датчик перемещения с

фазовой обработкой выходных сигналов. // ПТО. - 1986. - № 8. - ДСП. - с.

53- 56.

60. Мурашкина Т. И., Конаков Н. Д., Любомиров А. В.

Амплитуднофазовые датчики продольных перемещений с улучшенными

метрологическими характеристиками // Методы и средства измерения

механических параметров в системах контроля и управления: Тез. докл.

Зонал. научн. -техн. семинар. 18-19 января 1988. - Пенза, ПДНТП, 1988.

С. 66-68.

61. Мурашкина Т. И., Конаков Н. Д., Карпов М. В.

Амплитуднофазовый оптический датчик продольных перемещений //

Методы и средства измерения мех. параметров в системах контроля и

управления: Тез. докл. Межд. научн. -техн. конф. 25-27 января 1989. -

Пенза, ПДНТП, 1989. С. 125-126.

236

62. Мурашкина Т. и. Амплитудно-фазовые датчики перемещений //

Приборы и системы управления. - 1989. - № 8. С. 29-31.

63. Мурашкина Т. И. Малогабаритные оптические датчики

продольных перемещений // Оптические сети связи: Материалы Всесоюз.

конф. - М.: ЦНИИ связи, 1991.

64. Мурашкина Т. И. Оптические датчики продольных

перемещений // Методы и средства измерения механических параметров

в системах контроля и управления: Тез. докл. Зонал. научн. -техн.

семинар 22-23 января 1990. - Пенза, ПДНТП, 1990. -С. 12-13.

65. Мурашкина Т. И. Исследование погрешностей оптического

датчика продольных перемещений // Методы и средства измерения

механических параметров в системах контроля и управления: Тез. докл.

Всесоюз. научн. -техн. конф. 20-22 января 1992. - Пенза, ПДНТП.

66. Мурашкина Т. И., Коршаков В. П. Перспективы использования

ВОД в ВОССД // Методы и СИ механических параметров в системах

контроля и управления. Тез. докл. Меж. научн. -техн. конф. 1994. - Пенза,

ПДНТП, 1994.

67. Мурашкина Т. И., Коршаков В. П. Перспективы использования

ВОД в ВОССД // Межвуз. сб. науч. тр. / Пенз. гос. тех. ун-т. 1995. - № 15.

-С. 8-10.

68. Мурашкина Т. И., Коршаков В. П., Артемов Ю. А. Волоконно-

оптические датчики для внутриобъектовых волоконно-оптических сетей

сбора данных // Радиотехника. - 1995. - № 10. = С. 29-31.

69. Мурашкина Т. И. Волоконно-оптическая система измерения

уровня жидкости // Актуальные проблемы авиационных и

аэрокосмических систем: процессы, модели, эксперимент. - 1997. - № 2(4)

- С. 48-52.

237

70. Мурашкина Т. И., Новиков В. В., Баранов С. С. Методы и

средства измерения механических величин / Методические указания к

лабораторным работам. - Пенза: Изд-во Пенз. Гос. Ун-та. -1998. -32 с.

71. Мурашкина Т. И. Выбор параметров амплитудных ВОД для

ВОССД // Российский космический бюллетень, 1998. ДСП - 2.

72. Мурашкина Т. И. Волоконно-оптическая система

предотвращения погасания пламени в реактивных двигателях // Точность

технологических и транспортных систем: Материалы IV Межд-ой науч. -

техн. конф. 4-5 июня 1998. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та. -1998. -Ч. 2. -

С. 88-89.

73. Мурашкина Т. И. Состояние проблемы ВО датчикостроения //

Состояние и проблемы технических измерений: Тез. докл. Всероссийск.

науч. -техн. конф. 24-26 ноября 1998. - Москва, 1998. - С. 183-184.

74. Мурашкина Т. И. Особенности построения амплитудных ВОД //

Состояние и проблемы технических измерений: Тез. докл. Всероссийск.

науч. -техн. конф. 24-26 ноября 1998. - Москва, 1998. - С. 185- 186.

75. Мурашкина Т. И., Мещерякова В. А., Баранов С. С. Волоконная

оптика и будущее автомобиля // Точность технологических и

транспортных систем: Материалы IV Межд-ой науч. -техн. конф. 4-5

июня

1998. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та. -1998. -Ч. 2. - С. 92-93.

76. Мурашкина Т. И., Бадеева Е. А. Способ повышения точности

ВОД // Оптический журнал. - 1999. -Том 66. -№1. - С. 59-61.

77. Мурашкина Т. И., Новиков В. В., Цибизов П. В. Проектирование

волоконно-оптических датчиков давления и перемещения /

Методические указания к курсовому проекту. Пенза: Изд-во Пенз. гос.

ун-та. -

1999. -57с.

238

78. Мурашкина Т. И., Мещеряков В. А., Бадеева Е. А.

Дифференциальный волоконно-оптический датчик давления с оптико-

механическим модулятором // Датчики систем измерения контроля и

управления: Межвуз. Сб. науч. тр. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2000.

79. В. М. Чудов, Т. И. Мурашкина, Н. Д. Конаков. Патент РФ №

1260664, МПК G 01 В 7/00. Способ преобразования перемещение - фаза

Опубл. 30. 09. 86, Бюл. № 36.

80. Н. Д. Конаков, Т. И. Мурашкина, Г. А. Киреева. Патент РФ №

1647250, МПК6 G 01 В 21/00. Оптический датчик перемещений с фазовым

выходом Опубл. 07. 05. 91, Бюл. № 17.

81. Н. Д. Конаков, А. Н. Трофимов, Т. И. Мурашкина, Г. А. Киреева.

Патент РФ № 1670408, МПК6 G 01 В 21/00. Амплитудно-фазовый

оптический датчик перемещения. Опубл. 15. 08. 91, Бюл. № 30.

82. Т. И. Мурашкина, М. В. Карпов. Патент РФ № 1707471, МПК6 G

01 В 21/00. Оптический датчик перемещений Опубл. 23. 01. 92, Бюл. № 3.

83. Т. И. Мурашкина, О. В. Преснякова. Патент РФ № 2044264, МПК

G01 В 21/00. Оптический датчик перемещений Опубл. 20. 09. 95, Бюл. №

269.

84. Коптев Ю. Н., Гориш А. В. Датчиковая аппаратура для ракетно-

космической техники // Радиотехника. - 1995. - № 10.

85. Мурашкина Т. И. Волоконно-оптический сигнализатор уровня

жидкости // Радиотехника. - 1995. - № 10.

86. Мурашкина Т. И. Волоконно-оптическая система измерения

уровня жидкости // Актуальные проблемы авиационных и аэрокосмических

систем: процессы, модели, эксперимент. - 1997. - № 2.

87. Мурашкина Т. И. Повышение надежности волоконно-оптических

датчиков // Точность технологических и транспортных систем: Мате-

239

риалы IV Международной науч. -техн. конф. 4-5 июня 1998. - Пенза: Изд-

во Пенз. гос. ун-та. -1998. -Ч. 2.

88. В. М. Чудов, Н. Д. Конаков, Т. И. Мурашкина, М. И. Леонова. А.

с. № 1226060 СССР, МКИ3 G 01 В 21/00. Фотоэлектрический датчик

перемещений. Опубл. 23. 04. 86, Бюл. № 15.

89. А. В. Любомиров, Т. И. Мурашкина, Г. А. Киреева, О. В.

Корнеева. А. с. № 1252652 СССР, МКИ3 G 01 В 7/00. Способ

преобразования перемещения в фазу Опубл. 23. 08. 86, Бюл. № 31.

90. Т. И. Мурашкина, А. В. Любомиров, В. М. Косогоров. А. с. №

1351418 СССР, МКИ3 G 01 В 21/00. Проходной соединитель. Опубл.

1989, (ДСП).

91. Т. И. Мурашкина, М. ИЛеонова. А. с. № 1483255 СССР, МКИ3

G 01 В 21/00. Фотоэлектрический датчик перемещений. Опубл. 30. 05. 89,

Бюл. № 20.

92. Т. И. Мурашкина, В. В. Блинов, М. В. Карпов. А. с. № 1562688

СССР, МКИ3 G 01 В 11/00. Оптический датчик перемещений. Опубл. 07.

05. 90, Бюл. № 17.

93. Т. И. Мурашкина, Н. Д. Конаков, В. Ф. Роганов, А. О. Хаева. А.

с. № 1567872 СССР, МКИ3 G 01 В 11/00. Оптический датчик

перемещений. Опубл. 30. 05. 90, Бюл. № 20.

94. Н. Д. Конаков, А. В. Любомиров, Т. И. Мурашкина, М. И.

Леонова. А. с. № 1589056 СССР, МКИ3 G 01 В 21/00. Оптический датчик

перемещений с фазовым выходом. Опубл. 30. 08. 90, Бюл. № 32.

95. Т. И. Мурашкина, Ю. А. Лапшов, О. В. Преснякова. А. с. №

1613850 СССР, МКИ3 G 01 В 11/00. Оптический датчик перемещений.

Опубл. 15. 12. 90, Бюл. № 46.

240

96. Акопов С. Г., Дмитриев С. А., Дураев В. П., Иванов А. Б. и др.

Волоконно-оптическая техника: история, достижения, перспективы. Под

редакцией Дмитриева С. А., Слепова Н. Н. - М: Издательство «Connect»,

2000, - 376 с.

97. Артемов Ю. А., Бурков В. Д., Гориш А. В. и др. Волоконно-

оптический автогенератор. Патент на изобретение № 2116631. Опубл.

07.07.98. Бюл. №21.

98. Бурков В. Д., Гориш А. В., Малков Я. В. и др. Патент РФ на

изобретение № 2117934. Волоконно-оптический автогенератор. Опубл.

20.08.98, Бюл. № 23.

99. Бурков В. Д., Гориш А. В., Малков Я. В. и др. Патент РФ на

изобретение № 2110049. Волоконно-оптический датчик температуры на

основе микрорезонатора. Опубл. 27. 04. 98, Бюл. № 12.

100. Бурков В. Д., Гориш А. В., Дехтяр А. В., Малков Я. В. и др.

Патент РФ на изобретение № 2135963. Микрорезонаторный волоконно-

оптический преобразователь физических величин. Опубл. 27. 08. 99, Бюл.

№ 24.

101. Бурков В. Д., Гориш А. В., Дехтяр А. В., Малков Я. В. и др.

Патент РФ на изобретение № 2135957. Микрорезонаторный волоконно-

оптический преобразователь физических величин. Опубл. 27. 08. 99, Бюл.

№ 24.

102. Бурков В. Д., Гориш А. В., Дехтяр А. В., Малков Я. В. и др.

Патент РФ на изобретение № 2135958. Волоконно-оптический

автогенератор. Опубл. 27. 08. 99, Бюл. № 24.

103. Бурков В. Д., Гориш А. В., Егоров Ф. А., Малков Я. В. и др.

Патент РФ на изобретение № 2142115. Волоконно-оптическая система

измерения физических параметров. Опубл. 27. 11. 99, Бюл. № 33.

241

104. Бурков В. Д., Гориш А. В., Егоров Ф. А., Малков Я. В. и др.

Патент РФ на изобретение № 2142615. Мультиплексная система

автогенера- торных микрорезонаторных волоконно-оптических датчиков

физических величин. Опубл. 10. 12. 99, Бюл. № 34.

105. Бурков В. Д., Гориш А. В., Егоров Ф. А. и др. Патент РФ на

изобретение № 2204810. Мультиплексная система автогенераторных

микрорезонаторных ВОД физических величин. Опубл. 20. 05. 2003, Бюл.

№ 14.

106. Бурков В. Д., Гориш А. В., Малков Я. В. и др. Патент РФ на

изобретение №2161783. Волоконно-оптический датчик температуры на

основе микрорезонатора. Опубл. 10. 01. 2001, Бюл. № 1.

107. Бурков В. Д., Гориш А. В., Малков Я. В. и др. Патент РФ на

изобретение № 2142117. Микрорезонаторный

волоконно-оптический

датчик угловых перемещений. Опубл. 27. 11. 99, Бюл. № 33.

108. Бурков В. Д., Гориш А. В., Малков Я. В. и др. Патент РФ на

изобретение № 2142116. Микрорезонаторный

волоконно-оптический

датчик линейных перемещений. Опубл. 27. 11. 99, Бюл. № 33.

109. Бурков В. Д., Гориш А. В., Малков Я. В. и др. Патент РФ на

изобретение № 2142114. Микрорезонаторный

волоконно-оптический

датчик концентрации газов. Опубл. 27. 11. 99, Бюл. № 33.

110. Krohn D. A. Fiber optics. New sensors for old problems. // In. Tech.,

1983, Vol. 30, № 3, p. 57-60.

111. Verber C. M. The exciting promise of fiber-optic sensors. // Mech.

Eng., 1984, Vol. 106, № 5, p. 60-65.

112. Haran F. M. Optical fibre interferometric sensors using buffer guided

light. //Meas. Sci. Technol., 1994, № 5, p. 525-530.

242

113. R. I. Patterson, A. N. Rose, D. Tang and G. W. Day. A Fiber-Optic

Current Sensor for Aerospace Applications. IEEE AES System Magazine,

December, 1990.

114. AJ. Rogers Optical measurement of current and voltage on power

systems. IEEE Joum. Electr. Power. Appl., vol. 2, pp. 120-126, 1979.

115. A. M. Smith Optical fibre current measurement device at a generating

station. ECOSA (Utrecht), Proc. SPIE, vol. 236 (Bellingham: SPIE), pp. 352-

357, 1979.

116. Y. Yamagata, T. Oshi, H. Katsukawa S. Kato, Y. Sakurai.

Development of Optical Current Transformer and Application to Fault

Location Systems for Substations. IEEE Trans, of Power Del., vol. 8, № 3,

July, 1993.

117. A. Papp and H. Harms. Magnetooptical current transformer. Appl.

Optics, vol. 19 (I: Principles), p. 3729; (II: Components), p. 3735; (III:

Measurements), pp. 37-41, 1980.

118. H. Takada, S. Miymoto, T. Mitsui and Tomimasu. Applications on

fiber-optic magnetic-field sensor to Kicker magnet. Phys. E. Sci Instrum., v.

21, pp. 371-374, 1988.

119. V. K. Gorchakov, V. V. Kutzaenko and V. T. Potapov. Electrooptical

and magnetooptical effects in bismuth silicate crystals and polarization sensors

using such crystals. Jnt. Joum., Optoelectronics, vol. 5, pp. 235- 250, 1990.

120. Бурков В. Д., Гориш A. B., Егоров Ф. А., Коптев Ю. Н.,

Кузнецова В. И., Малков Я. В., Потапов В. Т., Трегуб Д. П. Явление

резонансной автомодуляции параметров излучения волоконного лазера с

оптическим нелинейным зеркалом (микрорезонатором). Открытие с

приоритетом от 6 июня 1995 г., диплом № 122, сборник кратких описаний

«Научные открытия» (выпуск 2, 1999 г. ), Москва-Санкт-Петербург,

2000, 74 с.

243

121. McMahon D. H., Nelson A. R., Spillman W. B. Fiber-optic transducers.

// IEEE Spectrum, 1981, pp. 24-29.

244

СОДЕРЖАНИЕ

а) ................................................................................................................................... 33

33 .............................................................................................................................. 34

40 .............................................................................................................................. 41

(2. 1) ................................................................................................................................. 58

58 .............................................................................................................................. 59

59 .............................................................................................................................. 60

60 .............................................................................................................................. 61

62 .................................................................................................................................. 63

β=arctg dc/〖2x〗i ..................................................................................................................... 68

75 .................................................................................................................................. 76

(2. 10) ................................................................................................................................... 76

(2. 11) ................................................................................................................................... 76

76 .................................................................................................................................. 77

77 .................................................................................................................................. 78

78 .................................................................................................................................. 79

80 .................................................................................................................................. 81

83 .................................................................................................................................. 84

K=Sпр/SK, (2. 22) ............................................................................................................. 89

94 .................................................................................................................................. 95

95 .................................................................................................................................. 96

96 .................................................................................................................................. 97

100 ................................................................................................................................. 101

102 ................................................................................................................................. 103

106 .............................................................................................................................. 107

108 .............................................................................................................................. 109

114 .............................................................................................................................. 115

117 ................................................................................................................................. 118

118 .............................................................................................................................. 119

119 ................................................................................................................................. 120

137 .............................................................................................................................. 138

145 .............................................................................................................................. 146

147 .............................................................................................................................. 148

149 .............................................................................................................................. 150

152 ................................................................................................................................. 153

159 .................................................................................................................................. 160

169 .............................................................................................................................. 170

170 .............................................................................................................................. 171

179 .......................................................................................................................... 180

180 .............................................................................................................................. 181

181 ........................................................................................................................... 182

183 .............................................................................................................................. 184

186 .............................................................................................................................. 187

198 .............................................................................................................................. 199

202 ................................................................................................................................. 205

204 ................................................................................................................................. 207

206 ................................................................................................................................. 209

207 ................................................................................................................................. 210

225 ................................................................................................................................. 228

СОДЕРЖАНИЕ ..................................................................................................................... 247

245

ГЛАВА 3. ОЦЕНКА МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ И ЭКСПЛУАТАЦИОННОТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ВОЛОКОННО- ОПТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ НА СТАДИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ................................................ 113

3.1. Анализ характеристик волоконно- оптических датчиков а) ................................................................................................................................... 33

33 .............................................................................................................................. 34

40 .............................................................................................................................. 41

(2. 1) ................................................................................................................................. 58

58 .............................................................................................................................. 59

59 .............................................................................................................................. 60

60 .............................................................................................................................. 61

62 .................................................................................................................................. 63

β=arctg dc/〖2x〗i ..................................................................................................................... 68

75 .................................................................................................................................. 76

(2. 10) ................................................................................................................................... 76

(2. 11) ................................................................................................................................... 76

76 .................................................................................................................................. 77

77 .................................................................................................................................. 78

78 .................................................................................................................................. 79

80 .................................................................................................................................. 81

83 .................................................................................................................................. 84

K=Sпр/SK, (2. 22) ............................................................................................................. 89

94 .................................................................................................................................. 95

95 .................................................................................................................................. 96

96 .................................................................................................................................. 97

100 ................................................................................................................................. 101

102 ................................................................................................................................. 103

106 .............................................................................................................................. 107

108 .............................................................................................................................. 109

114 .............................................................................................................................. 115

117 ................................................................................................................................. 118

118 .............................................................................................................................. 119

119 ................................................................................................................................. 120

137 .............................................................................................................................. 138

145 .............................................................................................................................. 146

147 .............................................................................................................................. 148

149 .............................................................................................................................. 150

152 ................................................................................................................................. 153

159 .................................................................................................................................. 160

169 .............................................................................................................................. 170

170 .............................................................................................................................. 171

179 .......................................................................................................................... 180

180 .............................................................................................................................. 181

181 ........................................................................................................................... 182

183 .............................................................................................................................. 184

186 .............................................................................................................................. 187

198 .............................................................................................................................. 199

202 ................................................................................................................................. 205

204 ................................................................................................................................. 207

206 ................................................................................................................................. 209

207 ................................................................................................................................. 210

225 ................................................................................................................................. 228

СОДЕРЖАНИЕ ..................................................................................................................... 247

Монография

Бадеева Елена Александровна Гориш Анатолий Васильевич Котов Александр Николаевич Мурашкина Татьяна Ивановна Пивкин Александр Григорьевич

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ АМПЛИТУДНЫХ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ

ДАВЛЕНИЯ С ОТКРЫТЫМ ОПТИЧЕСКИМ КАНАЛОМ

Печатается в авторской редакции с готового оригинал-макета

Лицензия ЛР № 020718 от 02. 02. 1998 г. Лицензия ПД № 00326 от 14. 02. 2000 г.

Подписано к печати 06. 05. 2004 г. Формат 60x88/16 Бумага 80 г/м2 «Снегурочка» Ризография Объем 15, 25 п. л. ________ Тираж 150 экз. _____ Заказ № 261/

Издательство Московского государственного университета леса. 141005. Мытищи-5. Московская обл., 1-я Институтская 1, МГУЛ Телефоны: 588-57-62, 588-53-48, 588-54-15. Факс: 588-51-09.

E-mail: izdat@mgul. ac. ru