трубы порядка 0/Мф. Однако, масса М может быть легко учтена в рас четных формулах, в результате чего погрешность уменьшается до величины
у = 3(0/0тр)3-
• Проведена оценка влияния на ошибку измерений "загрязнений" трубы типа наледи или налипания. Показано, что влияние добавочной массы наиболее значительно при размещении ее вблизи тор цов. Это объясняется тем, что амплитуда колебаний трубы максимальна на ее краях. Наличие добавочной массы на других местах трубы приводит к существенно меньшим вносимым ошибкам.
• Проведено оценивание влияния условий закрепления трубы. Показано, что ошибка определения длины, вносимая размещением на торцах упругой опоры, определяется соотношением жесткости опоры С и трубы бГр = ЕБ/Ь в продольном направлении
2 С
у = —-. Вследствие изложенного на практике
к *тр
целесообразно применять опоры, обладающие жесткостью, позволяющей обеспечивать погрешность у, не превышающую наперед заданную. Следует отметить, что при увеличении длины трубы Ь допустимые значения жесткости опор С уменьшаются. Представленная вниманию читателей работа является изложением теоретических основ построения при-
бора для измерения длины труб на основе резонансных колебаний, находящегося в стадии разработки.
ЛИТЕРАТУРА
1. ГОСТ 7502—98. Рулетки измерительные металлические. Технические условия.
2. ГОСТ 427—75. Линейки измерительные металлические. Технические условия.
3. Скворцов Б.В., Жиганов И.Ю. Электронно-акустические приборы измерения длины труб // Датчики и системы. 1999. № 3.
4. Ржевкин С.Н. Курс лекций по теории звука. М.: МГУ, 1960.
5. Горбатов A.A., Рудашевский Г.Е. Акустические методы измерения расстояний и управления. М.: Энер гоиздат, 1981.
6. Богданов С.Н., Иванов О.П., Куприянов A.B. Холодильная техника. Свойства веществ. М.: А гропромиздат, 1985.
Михаил Яковлевич Андреев — гл. конструктор направления ФГУП «ЦНИИ "Морфизприбор"»;
Александр Васильевич Михайлов — канд. техн. наук, ст. научн. сотрудник ФГУП«ЦНИИ "Морфизприбор"»;
Игорь Лазаревич Рубанов — канд. техн. наук, нач. сектора ФГУП «ЦНИИ "Морфизприбор"».
в (812) 230-72-59, 235-92-79
в/1 (812) 230-08-78 □
УДК 681.586.5
ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ АТТЕНЮАТОРНОГО ТИПА ДЛЯ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
Е.А. Бадеева, А.Г. Пивкин, В.А. Мещеряков, Т.И. Мурашкина
Рассмотрены функции преобразования амплитудных волоконно-оптических датчиков давления аттенюаторного типа. Предложена конструкция датчика с аттенюатором в виде непрозрачного экрана (шторки).
Волоконно-оптические датчики давления отражательного типа отличаются простотой конструкции и несложной технологией изготовления [1]. Однако их чувствительность невелика из-за существенных потерь светового потока, распространяющегося в пределах апертурного угла оптического волокна (ОВ) в зоне измерения. Снижения потерь светового потока в зоне измерения можно добиться, если в качестве модулирующего элемента использовать аттенюатор, закрепленный на мембране датчика. Отличие предлагаемого датчика от известных состоит в способе модуляции оптического сигнала в зоне измерения под действием измеряемого параметра — давления контролируемой среды.
Функция преобразования волоконно-оптического датчика в общем случае представляет собой зависимость тока I приемника излучения от контролируемого давления Р и множества внешних факторов [ [1]:
I(Р, [) = Риил(0)Ф(Р, [г)Бпи, где Рии — мощность светового потока источника излучения; к(0) — коэффициент спектрального согласования элементов датчика; Ф(Р, [) — функция преобразования волоконно-оптического преобразователя; 6Пи — интегральная токовая чувствительность приемника излучения. В свою очередь, Ф(Р, [) = %с([г-).сп([г-).ип(р, [•), где .ис([), .сп([г) — коэффициенты передач трактов "источник излучения — подводящее ОВ" и "отводящее ОВ — приемник излучения", соответственно; .ип(Р, [) — функция преобразования измерительного преобразователя
(ип).
Значения коэффициентов .ис и .сп зависят от типов выбранных источника и приемника излучения, типа, количества и взаимного расположения ОВ в волоконно-оптическом кабеле [1]. последовательность расчета
Рис. 1. Графики зависимостей 6= = /(=) ПРИ параллельном ходе лучей; ис = 100 мкм:
а — для прямоугольной шторки; б — для шторки с кру глым отверстием
коэффициента .ис достаточно подробно рассмотрена в работе [2]. Его значение определяется по формуле .ис = Фпов /Фии, где Фии — полный световой поток источника излучения, Фпов — проходящий в подводящее ОВ световой поток, и составляет 0,1...0,3.
Коэффициент передачи .сп ® 1, так как площадь приемника (габариты светочувствительной площадки светодиода типа КФДМ 1x1 мм) существенно больше площади излучающего торца отводящего ОВ (0200 мкм), и, как правило, подводящее ов и приемник расположены в непосредственной близости друг от друга.
Коэффициент .ип зависит от способа модуляции оптического сигнала в зоне измерения. В датчиках ат-тенюаторного типа модуляция оптического сигнала в ип осуществляется путем перекрытия части светового потока подводящего ОВ непрозрачным экраном при прогибе мембраны под действием давления.
В этом случае функция преобразования ип .ип(С) = .о.(С), где .о — коэффициент, характеризующий распределение освещенности в зоне измерений; .(С) — коэффициент передачи оптико-механического тракта ип.
Для прогнозируемого поведения функции преобразования .ип(С) необходимо, чтобы .о = 1. Это возможно в случае, если отводящие ОВ расположены в плоскости, где распределение светового потока равномерное. Данное условие выполняется, если минимальное расстояние между подводящими и отводящими ОВ больше дистанции формирования луча [2]. Очевидно, что при .о = 1 поведение функции .ип(С) оценивается по поведению функции передачи оптико-механического тракта, т. е. коэффициента .(С) = .шт(=) .м(С), где .шт(=) — коэффициент передачи тракта "подводящие ОВ — шторка — отводящие ОВ", .м(С) — коэффициент преобразования мембраны.
перемещение = шторки определяется прогибом мембраны 5. Так как шторка жестко крепится на мембране, то = = 5, и . м(С) = 5/= = 1.
Если часть светового потока Фо, идущего от отводящего ОВ, перекрывается экраном (шторкой), переме-
щающимся в направлении =, то часть площади приемного торца отводящего ОВ 63 затеняется. Соответственно изменяется освещенная площадь 6= приемно го торца отводящего ОВ, причем 6= = 6с — 63, и изменяется световой поток Ф(=), поступающий в отводящие ОВ. Таким образом, происходит преобразование:
= О 63, 6= о © о Ф(=)
По п
поэтому .шт(=) = .1.2, где .1= 6=/6с, .2 = 6с/6$$, где 6с и — площади поперечного сечения сердцевины ОВ и светового потока в плоскости расположения торца отводящего ОВ, = я (/tg ©1$ + ис)2, где / — расстояние между излучающим торцом подводящего ОВ и приемным торцом отводящего ОВ; ис — радиус сердцевины ОВ.
Если световой поток от подводящего ОВ распространяется параллельным пучком, то коэффициент .2 = 1, т. е. для уменьшения неинформативных потерь светового потока имеет смысл формировать параллельный ход лучей.
изменением вида зависимости 6==/(=) можно добиться изменения нелинейности и крутизны функции преобразования .шт(=). В сво ю очередь, изменения вида зависимости 6= = /(=) добиваются изменением формы и размеров экрана. Для экрана прямоугольной формы (рис. 1, а)
6= = «иС — ¡1
81П 2агс8т
ш2агс51п
л/2 ис = - = 2
2 ' ^ 2 и с=- = 24
Зависимость достаточно линейная. Некоторая нелинейность набл юдается на начальном и конечном участках, которые целесообразно исключить.
12
вепвогв & Бузгетз • № 4.2003
при расходящемся пучке
.шт(=) =
1
к( Ьtg© 1$ + гс)
X < к гс —
ис 1 к . . ^сгс=- =
г 2
2 1ШСагс81п
— I Сагс8Ш
Данное выражение справедливо при Ь < Ьф, где дистанция формирования луча Ьф как правило, не превышает 0,5 мм. На практике разместить ОВ так близко друг от друга технологически сложно. Кроме того, между подводящим и отводящим ОВ должна перемещаться шторка, толщина которой 0,3...0,5 мм. поэтому выбирают Ь > Ьф. В этом случае
.шт(=) =
1
2к ис( 2Ьtg®1$ + ис)
х \ к гс —
Ч I к
2 1 180
Сагс8Ш
Сг„г- г
(]сгс г - г
— 8ш! Сагс8Ш —
Бг = к ис —
5
^ргаггат^— 8Ш | Сагс8Ш
ш
С 190
а
С 5 _
а_ С5
Гс С
+ |^90агс81п;^- - 81п| Сагс8Ш
а
'С г„
- • = С иС - (' + ^
' = 5ш + ис — г.
(1)
.шт(г) =
5
1
х <{ к гс — <! -С2 [90агс8^п;г^— 8Ш | Сагс8Ш
к( Ь tg© 1$ + Гс)
а С 5
а_ С5
+
1с [90агс81пСГс - 811
- 8Ш( Сагс8Ш ^ СГ
ф1<г ) и ф2(ТТ I™2]
Рис. 2. Схема волоконно-оптического датчика давления аттенюаторного типа:
1 — штуцер; 2 — мембрана; 3 — металлическая прокладка; 4 — подводящее ОВ; 5 — шторка; 6 — отводящие ОВ; 7 — корпус; ИИ — источник излучения; ПИ1, ПИ2 — первый и второй приемники излучения
действием давления Р мембрана прогнется на величину 3, определяемую известной формулой [1]:
31
3 = 16 3
Р 5;
ЕКС
0 ,
(С)
Экран может быть выполнен с отверстием. Если оно прямоугольное, то управление световым потоком аналогично рассмотренному выше случаю. Более технологичен в изготовлении экран с круглым отверстием радиуса 5ш. В этом случае
изменять зависимость = / (=) и глубину модуляции оптического сигнала можно, изменяя значение 5ш в процессе проектирования (рис. 1, б). погрешность линейности минимальна при 5ш = гс. В этом случае
Если по массе и габаритам аттенюатор мал в сравнении с круглой мембраной, можно считать, что под
где 3 — про гиб в центре круглой мембраны, 5о и К — радиус и толщина мембраны, Е и р — модуль упругости и коэффициент пуассона материала мембраны.
с достаточной для инженерных расчетов точностью можно считать, что значение = в выражении (1) равно прогибу 3, определяемому формулой (С).
В качестве примера на рис. С приведена упрощенная конструктивная схема предлагаемого датчика.
Мембрана 2 изготовлена как одно целое со штуцером 1. В центре мембраны жестко закреплена шторка 5 с отверстием на расстояниях /1 и /С относительно излучающего торца подводящего ОВ 4 и приемных торцов отводящих ОВ 6 первого и второго измерительных каналов. Оптические волокна жестко закреплены в корпусе 7. их юстировка относительно шторки осуществляется с помощью металлической прокладки 3,
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.