Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Обоснование выбора предмета исследований 11
1.1 Обоснование выбора волоконно-оптических преобразователей давления с открытым оптическим каналом 11
1.2 Обоснование выбора волоконно-оптических преобразователей давления с отражательным аттенюатором 18
1.3 Классификация и обоснование выбора оптических аттенюаторов... 32
1.4 Обоснование выбора схем расположения оптических волокон в рабочем торце волоконно-оптического преобразователя давления с отражательным аттенюатором 41
Выводы к главе 1 48
ГЛАВА 2 Физические и математические основы преобразования измерительной информации -в волоконно-оптических датчиках давления с отражательными аттенюаторами 49
2.1 Распределение светового потока в оптическом канале волоконно-оптического преобразователя от единичного волокна 49
2.2 Математическое моделирование волоконно-оптического преобразователя перемещения с отражательным аттенюатором 62
2.3 Вывод функции преобразования волоконно-оптических преобразователей давления и перемещения с отражательным аттенюатором 66
2.4 Принцип действия и функция преобразования волоконно-оптического датчика давления с отражательным аттенюатором 74
Выводы к главе 2 82
ГЛАВА 3 Особенности конструктивной реализации волоконно-оптических датчиков давления с отражательными аттенюаторами 83
3.1 Элементная база волоконно-оптических датчиков давления 83
3.2 Методика расчета конструктивных параметров волоконно-оптического преобразователя давления с отражательными аттенюаторами 90
3.3 Особенности схемно-конструктивных решений и физической реализации дифференциальных волоконно-оптических преобразователей и датчиков давления с отражательными
аттенюаторами 99
Выводы к главе 3 108
ГЛАВА 4 Экспериментальные исследования и разработка способов снижения погрешностей волоконно-оптических датчиков давления с отражательными аттенюаторами 109
4.1 Определение источников погрешностей волоконно-оптических датчиков давления с отражательными аттенюаторами и разработка способов их уменьшения 109
4.2 Описание структурной схемы и принципа действия измерительной установки 127
4.3 Методика и результаты экспериментальных исследований макетных образцов волоконно-оптических преобразователей и датчиков давления с отражательными аттенюаторами 132
Выводы к главе 4 141
Заключение 143
Перечень принятых сокращений 145
Библиографический список
- Обоснование выбора волоконно-оптических преобразователей давления с отражательным аттенюатором
- Математическое моделирование волоконно-оптического преобразователя перемещения с отражательным аттенюатором
- Методика расчета конструктивных параметров волоконно-оптического преобразователя давления с отражательными аттенюаторами
- Описание структурной схемы и принципа действия измерительной установки
Введение к работе
Важнейшими требованиями, предъявляемыми к современным информационно-измерительным системам (ИИС), являются повышенная надежность и точность измерений. При этом все чаще встречаются требования абсолютной искро- и взрывобезопасности, работоспособности в условиях воздействия сильных электромагнитных помех. ИИС на основе волоконной оптики в отличие от традиционных ИИС позволяют решить эти задачи. Применение волоконно-оптических датчиков давления (ВОДД), отвечающих требованиям абсолютной искро- и взрывобезопасности, позволяет существенно повысить безопасность ИИС в целом.
Наиболее отработанными для применения в ИИС являются ВОДД отражательного и аттенюаторного типов. Основное преимущество ВОДД отражательного типа заключается в простоте конструктивного исполнения. В то же время подобные датчики> обладают низкой чувствительностью преобразования из-за потерь светового потока в зоне измерения. Данный недостаток устранен в ВОДД с предельными аттенюаторами. Причем применение предельных аттенюаторов дает возможность дифференциального преобразования оптических сигналов, существенно улучшающего метрологические характеристики датчика, а именно, повышение чувствительности, линейности функции преобразования и снижение дополнительных погрешностей, обусловленных изменениями мощности излучения источника излучения и изгибами кабеля. В то же время необходимость точной юстировки оптических волокон (ОВ) относительно друг друга и предельного аттенюатора усложняет технологию изготовления датчика, что, в свою очередь, ведет к снижению точностных характеристик.
С учетом вышесказанного в работе решалась задача совмещения достоинств датчиков отражательного и аттенюаторного типов.
Теоретические предпосылки к решению данной задачи - созданы трудами отечественных и зарубежных учёных: В.И. Бусурина, М.М. Бутусова, В.Д. Буркова, Ю.А. Гуляева, Е.А. Зака, Я.В. Малкова, Т.И. Мурашкиной, А.Л. Патлаха, В.Т. Потапова, Н.П. Удалова и др.
Создание ВОДД с отражательным аттенюатором с учетом пространственного распределения мощности светового потока в зоне восприятия измерительной информации- и на основе оптимизации параметров новых математических моделей функций преобразования волоконно-оптического преобразователя давления (ВОПД) с отражательным аттенюатором представляет собой актуальную научно-техническую задачу, имеющую важное социально-экономическое значение.
Цели и задачи исследований
Целью диссертационной работы является улучшение метрологических характеристик волоконно-оптических датчиков давления с отражательными,аттенюаторами для искро-, взрывобезопасных информационно-измерительных систем.
Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:
разработка и исследование новых конструктивных решений, структурных схем волоконно-оптических преобразователей (ВОП) давления и перемещения с отражательными аттенюаторами и волоконно-оптических датчиков давления на их основе с улучшенными метрологическими характеристиками;
разработка алгоритмов преобразования сигналов ВОП давления и перемещения с отражательными аттенюаторами и ВОДД на их основе;
установление и анализ аналитических зависимостей между выходным и входным сигналами ВОП перемещения с отражательным аттенюатором, сочетающим отражающую и поглощающие поверхности;
проведение математического моделирования по определению оптимальных конструктивных параметров ВОПД с отражательными аттенюаторами;
определение энергетических соотношений сигналов ВОДД, обеспечивающих искро-, взрывобезопасность ИИС;
анализ метрологических моделей ВОДД с отражательными аттенюаторами;
проведение экспериментальных исследований макетного образца ВОДД с отражательным аттенюатором для подтверждения теоретических и расчетных данных. Методы исследований
При разработке математических и физических моделей ВОПД и ВОДД использовались основные теоретические положения оптики, аналитической геометрии. При решении задач по синтезу и анализу ВОПД и ВОДД использовались положения теории чувствительности, дифференциального и интегрального исчисления.
При проведении метрологического анализа использовалась теория статических предельных метрологических моделей линейных измерительных преобразователей.
Основные теоретические положения и результаты расчётов подтверждены экспериментальными исследованиями, а также созданием действующих макетных образцов ВОДД и проведением испытаний их в реальных условиях. При проведении экспериментальных исследований реализо-вывались положения теории измерений, планирования эксперимента и математической обработки результатов теоретических и экспериментальных исследований.
Научная новизна работы заключается в следующем:
разработаны, новые технические решения ВОДД с отражающими аттенюаторами, отличающиеся тем, что конструктивные параметры оптимизированы на основе разработанных критериев оптимизации. Это существенно улучшает метрологические характеристики датчика;
определено и исследовано аналитическое выражение функции преобразования оптических сигналов в ВОП давления и перемещения с отражательными аттенюаторами, впервые учитывающей распределение мощности светового потока в непосредственной близости от подводящего оптического волокна (ПОВ) и включающей конструктивные параметры отражательных аттенюаторов, влияющих на метрологические характеристики преобразователя и датчика в целом;
предложен новый способ измерения микроперемещения отражающих поверхностей относительно ОВ, который впервые учитывает особенности распределения светового потока в виде пучка параллельных лучей вдоль направляющих полого усеченного-конуса с углом при основании-, равным апертурному углу ОВ, и с толщиной стенки, равной'диаметру сердцевины ОВ;
разработаны критерии оптимизации параметров ВОП, учитывающие требования независимости оптических сигналов двух измерительных каналов ВОП давления при достижении высокой чувствительности преобразования и линейности выходной характеристики. С учетом данных критериев проведен анализ результатов математического моделирования.
Практическая значимость работы
Практическая значимость исследований подтверждается тем, что работа проводилась в рамках аналитической ведомственной целевой программы-«Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2008 годы)» в форме гранта Федерального агентства по образованию, шифр РНП.2.1.2.2827, «Разработка теории распределения светового потока в пространстве волоконно-оптических преобразователей физических вели-
чин с открытым оптическим каналом» на. базе кафедры «Приборостроение» ПРУ, договора № 389/3 от 30.10.05 (НИР «Волоконно-оптические средства измерения») между ОАО «НИИВТ» (г. Пенза) и ПТУ. На защиту выносятся:
научно обоснованные технические решения ВОДД с отражательными аттенюаторами; с улучшенными метрологическими; характеристиками для искро-, взрыво-, пожаробезопасных информационно-измерительных систем;:
математические модели и алгоритмы преобразования оптических сигналов в ВОП давления и перемещения с отражательными^ аттенюаторами с зеркальной и поглощающими частями (в виде: горизонтальных полос);
способ: измерения, микроперемещения, учитывающий особенности распределения светового потока в пространстве зоны; измерения* № местоположение, отражающих и поглощающих поверхностей ВОП'давления;
4): результаты математического моделирования по определению^ оптимальных конструктивных параметров ВОП давления и перемещения с отражательными аттенюаторами, обеспечивающих высокую чувствительность преобразования оптических сигналов и независимость оптических. сигналов двух измерительных каналов.
Реализация и внедрение результатов диссертации: Основные результаты> теоретических и экспериментальных - исследований автора (в соавторстве) использованы, при разработке ВОДД? с отражательным аттенюатором, а также внедрены в учебный процесс. Властности, эти результаты использовались при создании макетных образцов ВОДД с отражательными аттенюаторами для измерения избыточного давления в диапазонах 0...0,49, 0...0,98, 0;.Л,37, 0...2,74 МПа: шифр ВОДИД 002.
Материалы по проектированию и расчёту ВОДД с отражательными аттенюаторами использованы в НИР «Разработка теории распределения светового потока в пространстве волоконно-оптических преобразователей физических величин с открытым оптическим каналом», «Волоконно-оптические средства измерения», а-также в лекционном материале и лабораторном практикуме дисциплины «Волоконно-оптические измерительные приборы и системы» для специальности 200100 «Приборостроение».
Апробация работы. Основные научные и практические результаты исследований по теме докладывались и обсуждались на Всероссийском конкурсе на лучшую научную работу студентов, на научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава ПГУ (г. Пенза, 2005, 2006, 2007), Международных НТК «Датчики и системы» (г. Пенза, 2005), «Оптика и образование - 2006» (г. С-Петербург, 2006), на Международном симпозиуме «Надежность и качество» (г. Пенза, 2006, 2007), на IV Международной НТК «Метрологическое обеспечение измерительных систем» (г. Пенза, 2007).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 18 работах, из них 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК России, 2 патента, 3 научно-технических отчёта.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав и заключения, списка литературы, приложений. Основная часть изложена на 159 страницах машинописного .текста, содержит 55 рисунков, 6 таблиц. Список литературы содержит 84 наименования. Приложения диссертации занимают 15 страниц.
Обоснование выбора волоконно-оптических преобразователей давления с отражательным аттенюатором
В проходной схеме ЧЭ представляет собой структуру «световод -слой кремния - световод» (рисунок 1.3 а), а в отражательной - «световод -слой кремния - зеркало» (рисунок 1.3 б).
При этом необходимо обеспечить хороший оптический контакт, прочность и надежность соединения пластины кремния с ОВ, выдержать заданное положение пластины по отношению к торцу волокна по трем координатам и углам относительно оси волокна. Толщины кремниевых пластин должны составлять 10.. 100 мкм, а поперечные размеры -150x150...200x200 мкм . Технология изготовления таких кремниевых пластин известна и достаточно хорошо отработана. Аналогичным способом осуществляется изготовление ЧЭ отражательного типа, когда кремниевая пластина с напыленным зеркалом с одной стороны приваривается к торцу волокна [13, 16]. Роль зеркала могут" выполнять диэлектрические или металлические пленки, осажденные на поверхность кремния, либо граница раздела «кремний-воздух» с коэффициентом отражения R « 30% .
Рассмотренные выше ЧЭ служат основой для создания ВОДД отражательно-проходного типов, в которых может использоваться модуляция амплитуды или фазы оптического излучения в слое полупроводника под воздействием измеряемого давления [69].
Существенным недостатком ВОДД данного типа является то, что на границе оптического волокна и кремниевой пластины нарушаются условия прохождения и отражения света, а также существенные потери светового потока на границе раздела сред «стекло - кремний».
С точки зрения миниатюризации и унификации предпочтительна конструкция ЧЭ, представляющая собой кремниевую мембрану, расположенную на основании из того же кремния, которая с помощью капилляра состыковывается с оптическим волокном.
Излучение от светодиода по волоконно-оптическому тракту через разветвитель поступает на ЧЭ. Границы ЧЭ выполняют роль зеркал: подвижного М2 и неподвижного Ml, расположенных на расстоянии h0 и имеющих коэффициенты отражения на границах «кремний-воздух» П,2 0,3. Таким образом, ЧЭ представляет собой интерферометр Фабри-Перо слабого контраста с базой h0. Отраженное от интерферометра излучение через волоконно-оптический тракт и разветвитель поступает на фотоприемное устройство ФП, выходной сигнал которого пропорционален мощности регистрируемого излучения. Для получения достаточной видности интерференционной картины необходимо выполнение условия л2 АЛ «—, где Л - длина волны излучения, АЛ - ширина спектра источника 2/г света.
Оценки показывают, что для существующих светодиодов, излучающих в диапазонах длин волн 1200...1300 нм, либо 1500...1600 нм и имеющих ширину спектральной линии АЛ (30...60) нм, значение h должно составлять несколько микрон, что вполне реализуемо при существующих в России технологиях. Однозначная зависимость между измеряемым давлением и коэффициентом отражения от интерферометра Фабри Перо будет иметь место лишь в пределах одного полупериода на возрастающей, либо на убывающей ветви интерферограммы ЛР = Х/4р0. При этом на указанных ветвях рабочие интервалы значений APT и АР-1, в пределах которых выходная зависимость близка к линейной (нелинейность не превышает 3 %) составляет часть полупериода АРТ «(2/3)АР.
Схема обеспечивает надежную регистрацию мощности отраженной от ЧЭ с относительной погрешностью S3-КГ3, что должно соответствовать прогибу мембраны = 2-10 3мкм. Судя по экспериментальным данным, полученным целым рядом авторов, это вполне реальные цифры. Таким образом, относительная точность, измерения давления по нашим оценкам должна составлять (0,5...1)%.
Для повышения точности необходимо будет применять в системе регистрации один из интерферометрических методов: метод интерферометрии «белого света» или метод интерферометрии двух волн.
За последнее десятилетие в технологии микроэлектроники значительное развитие получило новое направление, связанное с созданием микрооптомеханических структур с микронными и субмикронными размерами, открывающее возможности по созданию-различных функциональных оптических и волоконно-оптических устройств, в частности, сенсорных элементов (СЭ) для широкого класса ВОД [3]. Такие СЭ, создаваемые методами групповых технологий, благодаря их миниатюрности и высокой точности геометрических параметров микроструктур, стабильности физико-химических свойств применяемых материалов, обеспечивают малую инерционность и высокую пространственную локальность измерений, имеют минимальные массо-габаритные параметры, обладают хорошей воспроизводимостью и идентичностью метрологических характеристик, что весьма важно при создании многоканальных волоконно-оптических измерительных систем (В0ИС).
Математическое моделирование волоконно-оптического преобразователя перемещения с отражательным аттенюатором
Задача управления световым потоком в пространстве ВОШІ состоит в том, чтобы обеспечить требуемые функции преобразования &\(Z) и Фг(2) первого и второго измерительных каналов, высокие чувствительности преобразования d&\ldZ и d b2ldZ. Исходными параметрами для построения математической модели распределения светового потока в зоне восприятия измерительной информации являются: - апертурный угол 0#л, диаметр сердцевины dc и диаметр оболочки d0 OB; - плоскость общего торца ВОК а и плоскость движения аттенюатора (3 параллельные; - расстояние от плоскости а до плоскости р равно XQ (рисунок 2.15).
Рассмотрим следующую модель, когда в плоскости а располагаются одно ПОВ и три ООВ на каждый измерительный канал - первый и второй измерительные каналы соответственно (рисунок 2.16).
Введем систему координат OXYZ. В выбранной системе координат определим расположение ПОВ, ООВ и аттенюатора, который перемещается в плоскости (3 вдоль оси OZ. ООВ второго ерительного [канала U первого измерител ьного канала Z г і к а Р X Y а) б) Рисунок 2.16 Определим центры ООВ в плоскости XOY (рисунок 2.16, б): ( к(Хк,Ук) или У к — dQ COS(7t&/3 + 7t/6), zk - J0sin(7iA;/3 + 7t/6), где h=l, 2,..., 6. Определим центр ПОВ в плоскости XOY: ofro.J o), где хо = 0, уо = 0. Функция, определяющая перемещение аттенюатора вдоль оси OZ, l,z-za l/2#, S (z, za) = 0,z-zJ l/2tf, где za - центр отражающей поверхности аттенюатора по оси OZ (рисунок 2.17); Н - ширина отражающей полосы аттенюатора. Рисунок 2.17 Значение функции S(z, za) равно 1, если точка z попадает в полосу отражающей поверхности аттенюатора, и значение функции S(z, za) равно 0 -в противном случае. Рассмотрим два канала, которые определяются набором волокон, з входящих в них: б #2- » ( , Л) t=4 Фі( а) = Е JjW У, а # о )Ф& , 6 Ф2(га) = \\ p(z,y,zatH,Xbyiydz, При проектировании ВОШІ стоит задача определения функций преобразования T i(za, И, XQ), Фг(га, Н, Х0) с учётом распределения светового потока в первом и втором измерительных каналах и заданных значениях d0; dc, NA при перемещении аттенюатора вдоль оси OZ. (2.14) а» (2.15) где (p=(z,j;,za,#,;ifo) = "S z =2Х0 tg + z; z а =Л"о tg + z; у =2Х0 XgNA + у, 1, если z -z a 1/2 Яи (z -zkf + (y -ykf (dc2)/4, О, в противном случае, z, у, zа - проекции точек на плоскость а, в которой расположены ООВ (на рисунке 2.18 дано пояснение для точек z и za, для точки у пояснения аналогичные).
Условие z-za 1/2 Я- есть условие попадания светового потока на отражающую полосу аттенюатора, которая спроецирована на плоскость а.
Условие (z -z k) + (у -у к) (dc )/4 - есть условие попадания светового потока в к-ое волокно. Для выбора конструктивных параметров ВОПП (ширины отражающей полосы аттенюатора Н, расстояния между торцом ВОК и аттенюатором XQ) введены следующие критерии оптимальности: - максимальная чувствительность преобразования ——1-— ; max - ширина «полки» (горизонтальная прямая, соединяющая точки зависимостей Фі( ) и Ф2( ), соответствующие 0,75dc для первого измерительного канала и 0,25dc второго измерительного канала, имеющих одинаковые значения) должна быть b Q,5dc. Ширина «полки» определяется технологией сварного соединения и характеризует независимость сигналов измерительных каналов.
Моделирования ВОПП с управляющим элементом в виде отражающего-аттенюатора проведено в среде MATHCAD по формулам (2.14 - 2.15). В процессе графоаналитического машинного эксперимента задавались различные значения ширины отражающей полосы аттенюатора Н, расстояние между торцом ВОК и аттенюатором Хо при перемещении аттенюатора вдоль оси Z. Результаты моделирования представлены на рисунках 3.3 п.3.2.
В ВОПП с отражательным аттенюатором, перемещающимся в соответствии с изменением измеряемого параметра, модуляция оптического сигнала осуществляется за счет перемещения зеркальной и поглощающей поверхностей аттенюатора в направлении Z относительно торцов ПОВ и ООВ, расположенных в одной плоскости.
Модуляция интенсивности светового потока осуществляется следующим образом (рисунок 2.19). Лучи света от подводящего оптического волокна ПОВ проходят в прямом направлении расстояние Х0 до аттенюатора и расстояние Х0 в обратном направлении до отводящего оптического волокна ООВ под апертурным углом NA к оптической оси волокна (см. рисунок 2.19). При этом в плоскости аттенюатора наблюдается освещенная кольцевая зона .SAT шириной h—2rc, внешний и внутренний радиусы которой определяются выражениями (2.16) и (2.17) соответственно A-BHyT=- 0tgAM -Г0 (2.16) A-BHEIll otg]NA (2.17) гдеХо - расстояние от аттенюатора до ВОК, гс- радиус сердцевины ОВ. В плоскости приемного торца отводящего оптического волокна наблюдается освещенная кольцевая зона SA-А шириной h=2rc, внешний и внутренний радиусы которой определяются выражениями (2.18) и (2.19) соответственно /?BHyT=2( otg0/M- rj, (2.18) RBmui=2X0tgNA. (2.19)
В нейтральном положении, когда измеряемый параметр соответствует начальной точке диапазона измерения при Z=0 аттенюатор, установлен относительно общего торца ВОК таким образом, чтобы освещенная кольцевая зона SK полностью перекрывала поверхность SOOB отводящего оптического волокна (см. рисунок 2.19).
Методика расчета конструктивных параметров волоконно-оптического преобразователя давления с отражательными аттенюаторами
Основная задача расчета оптической системы, которая, стоит на стадии проектирования ВОДД, заключается в определении ряда- конструктивных параметров, обеспечивающих, эффективный» ввод излучения из ПОВ в ООВ, линейную функцию преобразования Ф(Х), высокую чувствительность преобразования сіФ/dX, максимальную глубину модуляции оптического? сигнала, равномерное распределение освещенности в плоскости расположения торцов ООВ ; минимальные габаритные размеры ВОДД.
С учетом вышесказанного разработана методика расчета ВОДД с отражательными аттенюаторами.
Исходными данными для расчета являются: 1 Тип используемых оптических волокон, характеризующихся следующими справочными данными: - апертурным углом &мл , - радиусом оптического волокна г0в; -радиусом сердцевины гс (диаметром сердцевины dc). 2 Максимальное перемещение аттенюатора вдоль оси Z, соответствующее максимальному прогибу мембраны под действием давления. 3 Дистанция формирования пучка света Ьф = dc/2tgQ A. 4 Местоположение плоскости, в которой распределение освещенности равномерное и где установлен аттенюатор относительно ПОВ и ООВ. Расчетно-конструктивная схема ВОШІ с отражательным аттенюатором приведена на рисунке 3.2. В соответствии с данной схемой в результате расчета должны быть определены следующие параметры: - начальное расстояние XQ от общего торца ВОК до отражающей поверхности аттенюатора; - ширина отражающей поверхности аттенюатора Н\ - расстояние D между осями излучающего торца ПОВ и приемного торца ООВ; - расстояние, на котором расположена верхняя граница зеркальной отражающей поверхности относительно оптической оси ПОВ.
Так как в конструкции датчика с отражательным аттенюатором также используется дифференциальная схема преобразования светового потока, поэтому выводы, сделанные для ВОПД с предельным аттенюатором, справедливы и в этом случае [63]. В частности аттенюатор необходимо располагать относительно ОВ на расстоянии / Ьф, при этом распределение светового потока на отражающей поверхности аттенюатора будет равномерное.
По программе «Разработка теории распределения светового потока в пространстве ВОП физических величин с открытым оптическим каналом» проведено математическое моделирование в среде MATHCAD (листинг программы приведен в приложении Б). В процессе моделирования изменялось расстояние между ОВ и отражающей поверхностью аттенюатора Х0 и ширина отражающей полосы аттенюатора Н. Строились зависимости при начальном расстоянии Х0, начиная со значения порядка; 3dc (т.к. при Xo=2,5dc...3dc значение интенсивности мало), для ОВ с внешним диаметром 500мкм, диаметром сердцевины 200 мкм, апертурным. углом 12 град. Результаты моделирования при вышеперечисленных параметрах приведены на рисунке 3.3.
Структурная схема разработанного дифференциального ВОДД с отражательным аттенюатором приведена на рисунке 3.5.
Датчик включает в себя чувствительный элемент, который выполненный в виде стаканообразной мембраны с жестким центром из сплава 36НХТЮ; волоконно-оптический преобразователь давления, который преобразует величину внешнего давления Р в изменение оптического излучения; согласующее устройство (СУ) (оптоэлектронный блок), который выполняет функцию электрооптического и фотоэлектрического преобразователей; блок преобразования информации (БПИ), который выполняет роль преобразователя выходного сигнала датчика в стандартный электрический сигнал, например (0...6) В.
ВОДД работает следующим образом. Часть светового потока источника излучения Ф0 по подводящему оптическому волокну ПОВ подается в зону измерения. Под действием измеряемого давления Р мембрана прогибается, соответственно смещается в направлении Z аттенюатор, жестко на ней закрепленный.
В соответствии с заложенным в аттенюаторе алгоритмом преобразования происходит преобразование оптического сигнала Фо. Часть оптического излучения Фі(Р) поступает в отводящее оптическое волокно ООВ 1 первого измерительного канала, другая часть светового потока Ф2(Р) - в отводящее оптическое волокно ООВ 2 второго измерительного канала. По ООВ 1 и ООВ 2 световые потоки направляются на приемники излучения ПИ 1 и ПИ 2, соответственно. Приемники излучения ПИ1 и ПИ 2 преобразуют оптические сигналы Ф\ (Р) и Фг О в электрические сигналы /і(Р) и 12(Р) соответственно, которые далее поступают на вход блока преобразования информации БПИ.
В БПИ осуществляется операция суммирования и вычитания сигналов 1х(Р) и h{P), а затем - операция деления разности сигналов на их сумму W) - h{p)wm+h{p)i Данный алгоритм преобразования БПИ позволяет в два раза повысить чувствительность преобразования датчика, компенсировать изменения мощности излучения светодиода и интегральной токовой чувствительности приемников излучения при изменении температуры окружающей среды, уменьшить дополнительные погрешности, обусловленные воздействиями внешних факторов, а также неинформативными потерями светового потока при изгибах оптических волокон (см. п.2.4).
Общий вид разработанного ВОДД с отражательным аттенюатором представлен на рисунке Д.2 приложения Д. На рисунке 3.6 представлен основной узел ВОДД с отражательным аттенюатором - блок мембранный.
Описание структурной схемы и принципа действия измерительной установки
Мультипликативная составляющая погрешности равна: - для ВОДД с электрическим выходом: 8J= JbP H + ЪК2Ш + 5 йп + 8КІп + 52л( ) + 55пи ; - для ВОДД с оптическим выходом: 5Ф= йс+о п+оХ п; аддитивная составляющая погрешности: - для ВОДД с электрическим выходом: АЛ = Кис А! + Кш (А2 + А3) + Ксп А4 + 5пи(А5 + А6); - для ВОДД с оптическим выходом: АФа = Кш А, + Кш (А2 + А3) + Ксп А4; нелинейная составляющая: - для ВОДД с электрическим выходом: AJn = КШ(Р) Ал; - для ВОДД с оптическим выходом: АФл = Аип( )Ал. Аддитивная и нелинейная составляющие погрешности не влияют на результат измерения, если в нормативно-техническую документацию на датчик (ТУ, ТО) 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.
Самую большую погрешность Аі (до 10%) могут внести радиальные рассогласования ИИ и ПОВ. Продольные и угловые рассогласования вносят незначительную погрешность (не более 1%), если не превышают 10% от диаметра жгута или апертурного угла ОВ.
Погрешности Д2-Л4 в значительной степени зависят от конструктивного исполнения ИП. В1 процессе проектирования необходимо предусмотреть такие конструктивно-технологические и схемные технические решения, которые позволят снизить указанные погрешности. Ввиду того, что- в каждом конкретном случае конструкции ЖГ могут отличаться друг от друга, то и способы снижения их в каждом1 случае различны.
Погрешность А5 практически равна нулю, т.к. площадь, торца жгута 0ОВ значительно меньше площади приемной светочувствительной площадки ПИ.
Погрешности А1-А5 могут быть существенно снижены в процессе сборки датчиков точнойтостировкой элементов конструкции.
Погрешность спектрального согласования источника и- приемников-излучения/ Аб может быть полностью4 исключена, если диапазон» длины волны излучения источника излучения соответствует диапазону спектральной чувствительности приемника излучения. 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 г\(Х) практически равен нулю.
Спектральный диапазон фотодиода ФД-19КК частично совпадает со спектром светодиода ЗЛ107Б, и коэффициент спектрального согласования составляет ц(Х) « 0,5 (см. рисунок 3.1). Лучшей парой светодиоду ЗЛ107Б по коэффициенту спектрального согласования можно считать фотодиод КФДМ, спектральный диапазон чувствительности которого полностью перекрывает диапазон излучения светодиода ЗЛ107Б. В этом случаег(А,) « 1.
Мультипликативная погрешность 5г)(А.) спектрального согласования источника и приемников излучения при изменении температуры окружающей среды- в диапазоне ±50С может достигать 25...30% (например; для пары светодиод ЗЛ107Б - фотодиод ФД-19КК). Но она может быть, существенно снижена, если использовать двухплощад очные фотодиоды, каждая из светочувствительных площадок которых включена в один из измерительных каналов дифференциальной схемы, и к которой , подведены ООВ соответствующих измерительных каналов.
Мультипликативные погрешности? 5РИи 8-Кип, о\$гш при изменению параметров окружающей среды могут достигать 30%, а в отдельных- случаях 50% от результата измерения, если не принять соответствующих мер. Но так как они носят систематический характер; поэтому могут быть исключены-тем или иным способом. В литературе достаточно подробно освещены вопросы снижения указанных погрешностей [61, 70]. Для-снижениям этих погрешностей используют различные схемотехнические решения: дифференциальное исполнение измерительной схемы датчика, введение дополнительных схем коррекции, и т.п.
Погрешности ЬКис, о\#ст обусловленные изменением светопропускания 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 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 ВОДД необходимо принять все возможные конструктивно-технологические меры для исключения неинформативных изгибов ВОК [69, 70].
Мультипликативная погрешность ЬКущ, обусловленная, изменением параметров измерительного преобразователя при изменении параметров окружающей среды и воздействии механических факторов, может быть оценена только для конкретных типов измерительных преобразователей. 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 .
