УДК 681.586.5
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ СИГНАЛОВ В ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯХ ДАВЛЕНИЯ ОТРАЖАТЕЛЬНОГО ТИПА
Л. Н. Коломиец, Е. А. Бадеева, Т. И. Мурашкина, А. Г. Пивкин
Предложен новый способ дифференциального преобразования сигналов в волоконно-оптических преобразователях давления (ВОПД) отражательного типа, отличительной особенностью которого является то, что первым измерительным каналом (ИК) регистрируется изменение перемещения центральной части мембраны, а вторым ИК — изменение угла наклона периферийной части мембраны.
Для уменьшения влияния внешних факторов (температуры, вибраций, влажности, параметров источников питания и т. п.) на результат измерения в датчиках применен новый принцип дифференциального преобразования сигналов, суть которого заключается в том, что изменение этих факторов вызывает в идентичных звеньях одинаковые погрешности, которые исключаются при вычитании выходных сигналов преобразователей [1]. Подобным же образом исключается (или снижается) влияние постоянной составляющей входной величины. Использование дифференциальных схем позволяет получить на выходе сигнал, линейно зависящий от входного сигнала. Кроме того, дифференциальное преобразование сигналов позволяет увеличить в два раза чувствительность преобразования [2].
Обычно оба канала дифференциальной схемы делаются одинаковыми и находятся в одинаковых рабочих условиях [3]. Известно техническое решение ВОПД отражательного типа, отвечающее данному условию, но трудно реализуемое практически. Сложность практической реализации заключается в необходимости снятия оболочки с оптических волокон (ОВ) и выполнения очень точной юстировки ОВ двух измерительных каналов относительно друг друга. Кроме того, данное техническое решение не исключает температурную погрешность, обусловленную изменением геометрических параметров мембраны и упругих свойств материала, из которого она изготовлена, при изменении температуры окружающей среды.
В статье предлагается новый простой способ дифференциального преобразования сигналов в ВОПД отражательного типа, когда оба канала дифференциальной схемы находятся в одинаковых рабочих условиях, воспринимают одну и ту же измеряемую физическую величину (давление) и с помощью одного и того же чувствительного элемента (мембраны) преобразуют ее в изменение
интенсивности оптического сигнала от одного и того же источника излучения. При этом первый ИК реагирует на перпендикулярное перемещение центральной части зеркальной поверхности мембраны, а второй — на угловое перемещение периферийной части зеркальной поверхности той же мембраны [3].
На рис. 1 приведена упрощенная конструктивная схема одного из вариантов волоконно-оптического датчика давления (ВОДД), в котором базовым элементом является дифференциальный ВОПД отражательного типа, реализующий новый способ. Датчик содержит первый жгут подводящих оптических волокон (ПОВ) 1 и отводящих (ООВ) 2, общий торец которых закреплен во втулке 3 на расстоянии Хо от отражающей поверхности мембраны 4, выполненной как единое целое со штуцером 5. Начальный зазор между мембраной и общим торцом рабочего жгута ОВ выставляется с помощью прокладки 6. Втулка 3 жестко закреплена посредством прокладки 6 и корпуса 7 относительно штуцера 5. Во втулке 3 на расстоянии Хо от отражающей поверхности мембраны 4 жестко закреплен общий торец второго жгута подводящих 8
из вариантов дифференциального ВОДД отражательного типа
и отводящих 9 оптических волокон. Оптические оси ПОВ и ООВ второго жгута расположены относительно соответствующих оптических осей ПОВ и ООВ первого жгута на расстоянии А.
Датчик работает следующим образом. Световой поток Фо от источника излучения ИИ по ПОВ 1 и 8 направляется к отражающей поверхности мембраны 4. Под действием давления мембрана 4 прогибается. Интенсивность потоков, отраженных от нее и поступающих в ООВ 2 и 9, изменяется.
В первом ИК (в зоне первого жгута волокон) происходят следующие преобразования (см. рис. 1). Лучи света от ПОВ 1 проходят путь X до зеркала и путь X в обратном направлении до ООВ 2 под апертурным углом ОВ^а к оптической оси ОВ. При этом в плоскости ООВ 2 наблюдается освещенная кольцевая зона. Так как площадь светового пятна на отражающей поверхности мембраны ничтожно мала в сравнении с площадью мембраны, то можно с достаточной точностью считать, что под действием давления Р центральная часть поверхности мембраны перемещается перпендикулярно оптической оси ВОПД.
Таким образом, под действием измеряемого давления Р мембрана 4 прогибается на величину № и ее центральная часть перемещается в направлении Х. При этом изменяется положение кольцевой зоны относительно ООВ 2 в направлении —Zl, которое ведет к изменению площади ^пр1 приемного торца ООВ 2, освещенной отраженным от зеркала световым потоком.
Таким образом, происходят следующие преобразования:
Р ^ №^ X^ ^ ^ ф ^ Ф1(Р),
Т Ф1
где Ф1 — световой поток, введенный в зону измерения по ПОВ первого ИК.
Во втором ИК (в зоне второго жгута волокон) происходят аналогичные преобразования. Лучи света от ПОВ 8 проходят путь X- до зеркала и обратно до ООВ 9 под апертурным углом ©N4 к оптической оси ОВ. При этом в плоскости ООВ 9 наблюдается освещенная кольцевая зона. Под действием измеряемого давления Р периферийная часть мембраны 4, расположенная на расстоянии приблизительно равном А относительно оси мембраны, прогибается на угол а. При этом изменяется положение освещенной кольцевой зоны относительно ООВ 9 в направлении +Z2, которое ведет к изменению площади светового пятна при-
Ф1(Ж)
W-
■0--Ф2 ««-
Ф2(а)
■ Il(P) ■ Фо
' 12(P) ■
Рис. 2. Последовательность преобразования сигналов дифференциального ВОДД отражательного типа
емного торца ООВ 8, освещенной отраженным от зеркала световым потоком.
Так как прогиб центральной части мембраны W небольшой и соответственно угол а ничтожно мал, то можно с достаточной точностью считать, что а « W/R (R — радиус мембраны), т. е. справедлива следующая схема преобразования:
P — W— а — +Z2 — ф — Ф2(Р),
Т Ф2
где Ф2 — световой поток, введенный в зону измерения по ПОВ второго ИК.
По ООВ 2 первого и второго измерительных каналов световые потоки направляются на приемники излучения ПИ1 и ПИ2 первого и второго измерительных каналов соответственно. Приемники излучения ПИ1 и ПИ2 преобразуют оптические сигналы Ф1(Р) и Ф2(Р) в электрические сигналы Il(P) и /2(Р), которые поступают на вход блока преобразования информации, где формируется разность сигналов Ii(P) — 12(Р).
Преобразования, происходящие в ВОДД, представлены на рис. 2. При изменении температуры окружающей или измеряемой среды изменяются геометрические параметры мембраны: толщина h и радиус R, а также упругие свойства мембраны, что ведет к изменению модуля упругости материала мембраны E. Для уменьшения температурной погрешности датчика, обусловленной перечисленными факторами, повышения чувствительности преобразования, а также исключения влияния на точность измерения таких факторов, как неинформативные изгибы кабеля, изменение мощности излучения ИИ, чувствительности измерительного преобразователя, целесообразно сформировать отношение разности сигналов к их сумме, то есть
[Il(P) - /2(Р)]М(Р) + 12(Р)] ~ ~ (Ф1 - Ф2)/(Ф1 + Ф2).
Таким образом, впервые реализована дифференциальная схема в волоконно-оптическом преобразователе давления отражательного типа.
а
Датчики и Системы • № 12.2006_ 13
ЛИТЕРАТУРА
1. Молчанов А. Г., Мещеряков В. А, Мурашкина Т. И. Теория, расчет и проектирование измерительных приборов и систем. Учебное пособие. — Пенза: ПГУ, 1998.
2. Бадеева Е. А, Мещеряков В. А, Мурашкина Т. И, Пивкин А. Г. Волоконно-оптический датчик давления аттенюаторного типа летательных аппаратов // Датчики и системы. — 2003. — № 4. — С. 11—14.
3. Заявка на изобретение № 2005109815, МПК6 G01 В 21/00. Волоконно-оптический преобразователь перемещения / Т. И. Мурашкина, А. Г. Пивкин, Е. А. Бадеева.
Лев Николаевич Коломиец — ген. директор ООО "Приборы Автоматизированных Систем ПАС", Москва;
Я (495) 742-68-80 E-mail: L.Kolomiets@rlt.ru
Елена Александровна Бадеева — канд. техн. наук, старший преподаватель Пензенского государственного университета (ПГУ);
Татьяна Ивановна Мурашкина — д-р техн. наук, профессор ПГУ;
Я (841-2) 56-06-96
Александр Григорьевич Пивкин — канд. техн. наук, доцент, директор ОАО "НИИ Вычислительной техники", ООО "НИИВТ-РУ-СИЧИ-ФАРМА".
Я (841-2) 55-20-47 □
УДК 681.586.33:681.883.068
РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ УРОВНЕМЕРА ТОПЛИВА ЖИДКОСТНЫХ РАКЕТ
С. В. Балакин, Д. В. Стерлигов
Приведен сравнительный анализ результатов математического моделирования уровнемера системы управления расходованием топлива (УСУРТ) жидкостных ракет. Представлены результаты аналитического и имитационного моделирования, проведенного с помощью ЭВМ. Сопоставлены возможности программной реализации соответствующих алгоритмов.
Предметом исследования в данной статье является фазовый способ измерения уровня топлива в условиях изменения скорости движения уровня в широком диапазоне. Важным показателем функционирования рассматриваемого УСУРТ [1] является точность определения момента прохождения уровнем жидкости середины текущего дискретного датчика (ДД) в баке, что было отмечено в публикациях [2, 3]. Были определены факторы, влияющие на точность и, следовательно, работоспособность УСУРТ. В целях оценки влияния каждого фактора проведено математическое моделирование УСУРТ, в результате которого получены конкретные значения определенных ранее критериев: среднеквадратичной, суммарной, смешанной и временной погрешностей.
Моделирование, как неотъемлемая часть методики проектирования УСУРТ, проводилось в два этапа.
Аналитическое моделирование — разработка и проверка основных теоретических положений и зависимостей для оценки состояния УСУРТ при детерминированных условиях протекания измерительного процесса. Целью данного этапа являлась оценка точности и работоспособности УСУРТ в жестко заданных условиях. Для ее реализации,
опираясь на теоретические наработки и опыт создания предыдущего поколения УСУРТ, разработали критериальную баз
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.