Разработка волоконно-оптического датчика угла наклона

Размещено на http://www.allbest.ru/

Разработка волоконно-оптического датчика угла наклона

А.Н. Кукушкин

Пензенский государственный университет, Пенза, Россия

Аннотация

волоконно оптический датчик угол наклона

Описывается целесообразность применения и преимущество волоконно-оптических датчиков. Приведены сведения о существующих решениях волоконно-оптических датчиков угла наклона и их недостатки. Рассматриваются предлагаемые технические решения и новые технологии определения угла наклона с помощью разрабатываемых волоконно-оптических датчиков угла наклона с линзовыми и аттенюаторными измерительным преобразователями.

Ключевые слова: волоконно-оптический датчик, оптическое волокно, световой поток, угол наклона, оптическая система, цилиндрическая линза

Мы стали свидетелями растущей потребности в передаче огромных объемов информации на большие расстояния. Интенсивно использовавшиеся для передачи информации в течение последних 20 лет технологии, такие как коаксиальные кабели, спутниковая и микроволновая связь, очень быстро исчерпали свои возможности. В промышленных системах с повышенным уровнем помех, где быстро росла нужда в передаче данных и создании сетей систем контроля, ощущалась растущая потребность в новой среде передачи. Решение проблем ограниченной пропускной способности передачи и повышенного уровня помех в условиях производства было успешно найдено с появлением оптоволоконных технологий [1].

Потребность в датчиках стремительно растет в связи с бурным развитием автоматизированных систем контроля и управления, внедрением новых технологических процессов, переходом к гибким автоматизированным производствам. Помимо высоких метрологических характеристик, датчики должны обладать высокой надежностью, долговечностью, стабильностью, малыми габаритами, массой и энергопотреблением, совместимостью с микроэлектронными устройствами обработки информации при низкой трудоемкости изготовления и небольшой стоимости [2]. Этим требованиям в максимальной степени удовлетворяют волоконно-оптические датчики.

Одним из слабо развитых направлений волоконно-оптических датчиков является измерение угла наклона и угловых перемещений.

На рынке существуют немногочисленные волоконно-оптические датчики угла наклона. Волоконно-оптический датчик угла наклона ASTRO A541 способен измерять © Кукушкин А. Н., 2021 угол отклонения до 10° (рис. 1) [3]. Чувствительный элемент данного датчика - волоконная брэгговская решетка - периодическая структура, записанная в оптическом волокне, способная отражать узкий спектр длин волн.

Рис. 1. Волоконно-оптический датчик угла наклона ASTRO A541 и его характеристики

Лазер, расположенный в анализаторе сигналов, посылает несколько длин волн 100 раз в секунду. ВБР отражает оптический спектр, который при внешнем воздействии сдвигается вправо или влево. По изменению длины волны датчика определяются характеристики внешнего воздействия на датчик [4]. Недостатками данного датчика являются слабая виброустойчивость из-за наличия лазера, дороговизна изготовления, малый диапазон измерения, большие габариты (220 х 140 х 43) и большой вес (3,3 кг).

Волоконно-оптический датчик угла наклона OSI - 570, основанный тоже на волоконной брэгговской решетке, способен измерять угол отклонения до 5° (рис. 2) [5].

Известен также маятниковый датчик угла наклона, содержащий маятник и два датчика угла, состоящие из статора и ротора. «Статоры датчиков углов соединены соосно с шестернями, ... оба датчика угла установлены на одной оси подвеса, закрепленной в корпусе датчика, и их роторы установлены на этой оси, статор и шестерня одного датчика угла жестко соединены с маятником и установлены с возможностью их совместного поворота вокруг оси подвеса относительно ротора этого датчика угла, статор и шестерня другого датчика угла установлены с возможностью их совместного поворота вокруг оси подвеса относительно ротора этого датчика угла, шестерни, соединенные со статорами датчиков углов, находятся в зацеплении через четное количество промежуточных шестерен, выходные обмотки статоров датчиков углов соединены с возможностью суммирования их выходных сигналов» (Ки254в397С1, О01С 9/12, 29.01.2014) [6].

Рис. 2. Волоконно-оптический датчик угла наклона ОБ! - 570 и его характеристики

Недостатком данного устройства является сложность устройства, принцип работы основан на механических и электрических связях, что существенно снижает взрывопожаробезопасность.

Предлагаются новый способ измерения угла наклона и волоконно-оптический датчик для его реализации. Учитывается пространственное распределение мощности светового потока на излучающем торце оптических волокон в виде полого усеченного конуса, позволяющее реализовать дифференциальное преобразование оптических сигналов и в 2-3 раза снизить дополнительные погрешности от изгибов волокон, воздействия повышенных и пониженных температур и т.п. [7].

Первая модель основывалась на принципе действия модуляции оптического сигнала при изменении углового положения линзы относительно рабочих торцов оптических волокон (рис. 3).

Исходя из уже известных конструкций, был выбран в качестве воспринимающего элемента маятник, в центре подвеса которого закреплен оптический модулятор в виде цилиндрической или шарообразной линзы. При изменении положения опоры, на которой неподвижно закреплен датчик, происходит отклонение маятника с линзой. Изменение положения линзы изменяет направление светового потока, благодаря которому становится возможным зафиксировать новое значение угла отклонения. Именно этот способ модуляции позволяет фиксировать угловые отклонения до 30° [8]. Ход светового потока от подводящего оптического волокна (ПОВ) через линзу к отводящему оптическому волокну (ООВ) изображен на рис. 4.

Рис. 3. Конструкция первой модели волоконно-оптического датчика угла наклона

Рис. 4. Ход светового потока в датчике

Из-за сложности юстировки линзы на этапе сборки было принято решение опробовать другие способы преобразования светового потока при изменении угла наклона объекта, в частности, с применением предельного аттенюатора [9].

Переработана конструкция маятника так, чтобы при изменении угла наклона изменялась площадь отверстия, через которое проходит свет. За счет этого можно изменять мощность излучения, поступающего на приемник излучения по отводящему из зоны измерения оптическому волокну. Как и в первом варианте, отклоняется опора маятника.

Схематичное изображение взаимного положения лучей света и элементов измерительного преобразователя датчика при отклонении маятника представлено на рис. 5.

Рис. 5. Ход светового потока в новой конструкции

За счет нового процесса сборки упростилась юстировка в узле аттенюатора (в сравнении с первым вариантом модуляции интенсивности светового потока).

Основными достоинствами разработанного датчика угла наклона являются:

1) высокие чувствительность преобразования сигналов и быстродействие;

2) расширенный диапазон измерения по сравнению с существующими аналогами;

3) прочный герметичный металлический корпус, идеально подходящий для наружной установки датчика;

4) высокая помехозащищенность, нечувствительность к электромагнитным помехам, таким как СВЧ-поле, искровой разряд, магнитное поле, электромагнитные импульсы различной природы и любой интенсивности;

5) абсолютная электробезопасность, связанная с отсутствием электрических цепей между датчиком и регистрирующим модулем [10-13].

В результате будут разработаны новая конструкция и технологическая последовательность изготовления волоконно-оптического датчика угла наклона, имеющего ряд преимуществ перед устройствами, существующими на рынке. Он может найти применение в буровых установках для нефтегазовой добычи, при контроле параметров сооружений на АЭС и промышленных сооружениях, в различных системах позиционирования ракетных комплексов, для контроля ферм опор на стартовых площадках космодромов. В перспективе создание линейки датчиков других физических величин с возможностью объединениия их общую систему.

Список литературы

1. Кукушкин А. Н. Разработка волоконно-оптического датчика больших угловых перемещений для стартовой площадки космодрома // Молодежь и будущее авиации и космонавтики : сб. аннотаций конкурсных работ XI Всерос. молодежного конкурса науч.-техн. проектов. М., 2019. С. 120.

2. Полякова Е. А., Бадеева Е. А. Тенденции развития информационно-измерительных систем в ракетно-космической и авиационной технике // Проблемы управления, обработки и передачи информации (УОПИ-2018) : сб. тр. VI Междунар. науч. конф. / под. ред. А. А. Львова, М. С. Светлова. Саратов : ООО СОП «Лоди», 2019. С. 551-556.

3. ASTRO A541. URL: https://i-sensor.ru

4. Варжель С. В. Волоконные брэгговские решетки. СПб. : Университет ИТМО, 2015. 65 с.

5. OSI - 570. URL: https://www.forc-photonics.ru

6. Авторское свидетельство № 2548397, кл. G01C 9/12. Маятниковый датчик угла наклона / Шкуратов А. В. ; заявл. 29.01.2014; опубл. 20.04.2015. URL: yandex.ru/patents/doc

7. Бадеева Е. А. Научная концепция проектирования волоконно-оптических датчиков давления с открытым оптическим каналом для ракетно-космической и авиационной техники // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. 2016. № 4.102-113.

8. Кукушкин А. Н., Жуманазаров М. Ж. Разработка волоконно-оптического датчика больших угловых перемещений для стартовой площадки космодрома // Волоконно-оптические, лазерные и нанотехнологии в наукоемком приборостроении («Свет-2018») : материалы Междунар. науч.-техн. конф. с элементами науч. молодежной школы, посвящ. 20-летию ведущей науч. школы России «Волоконно-оптическое приборостроение» / под ред. проф. Т. И. Мурашкиной. Пенза : Изд-во ПГУ, 2018. С. 10-13.

9. Кукушкин А. Н. Разработка волоконно-оптического датчика больших угловых перемещений для стартовой площадки космодрома // Материалы XII Международной научнотехнической конференции с элементами научной школы и конкурсом научно-исследовательских работ для студентов, аспирантов и молодых ученых (г. Пенза, 16-18 марта 2020 г.) / под ред. д.т.н. Е. А. Печерской. Пенза : Изд-во ПГУ, 2020. С. 168-174.

10. Murashkina T. I., Badeevа E. A., Yurova O. V. [et al.]. Transformation of Signals in the Optic Systems of Differenzial-type Fiber-Optic Transducers // Journal of Engineering and Applied Sciences. 2016. Vol. 11, Iss. 13. P. 2853-2857.

11. Murashkina T. I., Motin A. V., Badeeva E. A. Mathematical simulation of the optical system of a fiber-optic measuring micro motion converter with a cylindrical lens modulation element // Journal of Physics: Conference Series (JPCS). 2017. Vol. 803. P. 012-101.

12. Ганов В. А., Кругер М. Я., Кулагин В. В. [и др.]. Справочник конструктора оптикомеханических приборов / под общ. ред. В. А. Панова. Л. : Машиностроение, Ленингр. отделение, 1980. 742 c.

13. Полякова Е. А., Бадеева Е. А., Мурашкина Т. И. [и др.]. Улучшение технических характеристик волоконно-оптических измерительных преобразователей // Модели, системы, сети в экономике, технике, природе и обществе. 2020. № 1. С. 126-135.

Размещено на Allbest.ru