3.2.3. Особенности реализации вод мс

В ВОД МС рассматриваемого типа модуляция сигнала в измерительном преобразователе (ИП) осуществляется за счёт перемещения ЗП относительно торцов ПОВ и ООВ, расположенных в одной плоскости (под действием МС).

Если торец ВОК контактирует с ЗП, то световой поток к ООВ не поступает. При увеличении расстояния x_i световой поток от ПОВ падает на большую площадь ЗП и, по сути, эта площадка становится источником «вторичного светового потока», который возвращается к ООВ. С увеличением площади отраженного «пятна» наблюдается резкий рост принимаемого ООВ светового потока. Зависимость Ф(x) = f(x) строится по уравнению (5).

График данной зависимости показан на рис. 3.3.

x₀

Рис. 3.3. Функция преобразования оптического сигнала.

На графике выбирается наиболее линейный и крутой участок ab. Тогда начальная установка ЗП относительно торца ВОК будет определяться расстоянием x₀, соответствующем точке b на графике рис. 3.3.

Под действием измеряемого момента сил М ЗП перемещается на некоторую величину δ=f(M).

Из вышеизложенного следует, что применительно к измеряемому смещению δ полученное выражение (5) следует записать в виде

Φ(δ) = Ф₀·K_ис ∙K₂(x₀ − δ), (6)

То есть вместо переменной x_i следует рассматривать значения переменной δ_i=f(M),

x_i = x₀ – δ_i.

Тогда графическая зависимость будет иметь вид (см. рис.3.4).

Рис.3.4. График зависимости функции преобразования Ф(M)/Ф₀ от момента сил М.

Таким образом, выбор x₀ ограничит диапазон измеряемых значений δ и, следовательно, определит выбор других параметров датчика, связывающих δ с M.

Окончательно получим

Φ(M) =Ф₀ ∙K_ис ∙K₂(x₀ - K∙M), (7),

где К – коэффициент пропорциональности.

Таким образом, из вышеизложенного следует, что при проектировании ВОД МС основной задачей является точная математическая формализация параметра

K₂(x₀ − K∙M),

несущего информацию об измеряемом параметре М.

Это достаточно сложная задача, от решения которой зависят формальные обоснования оптимального расположения управляющих устройств (отражающих поверхностей) в зоне измерений, числа ПОВ и ООВ в ВОК, оптических и конструктивных характеристик других элементов оптической системы ВОД МС. Рассмотрим принципиальную схему и принцип действия ВОД МС отражательного типа.

3.3. Принципиальная схема и принцип действия вод мс

Структурная схема ВОД МС представлена на рис 3.5.

Рис. 3.5. Структурная схема ВОД МС

1 - чувствительный элемент, 2 – корпус, 3 – подвижный стакан, 4 – зеркальная поверхность (ЗП), 5 – торец ВОК, 6 – пружина, 7 – хвостовик, 8 – ПОВ и ООВ, 9 – приемо-передающий модуль, 10 – блок питания, 11 – усилитель источника излучения (ИИ), 12 – усилитель фотоприемника, 13 – шкала измерителя сигнала, 14 – источник излучения, 15 – фотоприемник, 16 – толкатель, 17 – передаточное колено, 18 – плечо, 19 – подвижная масса.

Принцип действия датчика заключается в следующем.

В ВОД МС отражательного типа модуляция оптического сигнала осуществляется за счёт перемещения ЗП 4 относительно торцов ПОВ и ООВ 8, расположенных в одной плоскости.

От источника излучения 14 по ПОВ световой поток попадает в зону измерений на зеркальную поверхность. По ООВ отражённый световой поток поступает на фотоприёмник 15. Если торец волоконно-оптического кабеля 5 контактирует с ЗП 4, то поток к ООВ не проходит. При увеличении расстояния x_i поток излучения, заключённый в конусе апертуры ПОВ, падает на большую площадь ЗП и, по сути, эта площадь становится «источником» вторичного светового потока, который возвращается к ООВ.

При начальной установке ЗП вблизи x₀ изменение потока линейно связано с изменением расстояния до приёмных торцов ВОК. Вблизи максимума x_max выходной сигнал датчика практически не зависит от расстояния до ЗП и будет определяться мощностью источника излучения, потерями в ОВ и отражающими свойствами ЗП.

Для повышения чувствительности преобразования чаще всего используют восходящую или нисходящую ветвь характеристики

Принцип действия основан на изменении интенсивности светового потока Ф на входе фотоприёмника 15 вследствие изменения расстояния между торцом ВОК и ЗП при воздействии на подвижный стакан 3 момента сил , где , L₁ – плечо 18.

При перемещении массы m вдоль плеча 18 на подвижный стакан 3 через передаточное колено 17 воздействует толкатель 16 с силой F₂, происходит сжатие пружины 6 длиной l на величину Δl=δ. Тогда имеем

,

где S – площадь опорной поверхности пружины,

Е – модуль Юнга.

С другой стороны, исходя из равенства моментов сил относительно центра передаточного колена, имеем

M₁ = M₂,

где M₁ = F_1∙L₁, а M₂ = F_2∙L₂

Здесь L₁ – плечо, связанное с силой F₁,

L₂ – плечо, связанное с силой F₂

Из вышеизложенного следует, что

тогда

откуда

,

где К= – коэффициент пропорциональности, (см. выражение (7)).

Таким образом, под действием момента силы М отражающая ЗП перемещается в направлении x на величину . При этом в плоскости приемных торцов ООВ наблюдается освещенная кольцевая зона шириной h = 2∙r_c, внешний радиус которой

R=R_внеш = 2∙x_itgΘ_NA.

При перемещении ЗП изменяется положение кольцевой зоны относительно ООВ. За счет изменения R_внеш кольцевая зона перемещается в направлении Z, что ведет к изменению площади S_пр приемных торцов ООВ, освещённой отраженным от ЗП световым потоком, то есть

S_пр = f(M).

Тогда функция Φ(M) (7) окончательно перепишется в следующем виде:

(8)

Т.к. основным параметром, определяющим изменение Φ(M) по формуле (8), в процессе измерений является расстояние между ЗП и торцом ВОК, а чувствительность преобразования определяется начальным расстоянием x₀, представляется возможной конструктивная унификация ВОД МС по параметрам l, S, E, L₂ (при заданных r_c и D), при которых выполняется условие dФ/dМ=max.

Лабораторно-измерительная установка, схема которой представлена на рисунке 3.4, позволяет снять экспериментальную зависимость

Φ(M) = Φ₀∙f(M) для ВОД МС с волоконно-оптическим кабелем при x₀=5мм, подтверждающую правильность выведенных теоретических положений по определению конструктивных параметров ВОД МС.

Графическая зависимость Φ(M) = Φ₀∙f(M) представлена на рис. 3.6.

Рисунок 3.6. Графическая зависимость

К достоинствам рассмотренной конструкции ВОД МС отражательного типа следует отнести высокую чувствительность измерительного преобразователя (ИП) датчика.

К недостаткам – зависимость погрешностей датчика от изменения начального зазора x0, обусловленного неточностью сборки и изготовления деталей, а также – от изменения температуры окружающей среды.

Порядок выполнения работы

1. В соответствии с инструкцией по эксплуатации и указаниями инженера включить блок питания и блок регистрации выходного сигнала.

2. Переместить массу тела 19 по плечу 18 в исходное (нулевое) положение таким образом, чтобы толкатель 16 коснулся подвижного стакана 3.

3. Отметить на шкале прибора 13 величину сигнала, соответствующего исходному положению подвижной массы 19.

4. Переместить массу 19 по плечу 18 на 1 см. Зафиксировать показания прибора 12.

5. Повторять шаг 4 по всей длине плеча 18.

6. Занести результаты измерений в таблицу.

   Положение массы m на плече относительно начала отсчёта L, см	Значение приведённого момента сил M, Н·м	Показания прибора N, ед

7. По результатам измерений построить графическую зависимость показаний, снятых с прибора 12, как функцию момента сил, моделируемых на входе датчика момента сил.

Контрольные вопросы

1. Дайте характеристику светового потока в пространстве волоконно-оптического преобразователя с открытым оптическим каналом.

2. Как осуществляется управление световым потоком в зоне измерений волоконно-оптического преобразователя с открытым оптическим каналом?

3. В чем заключаются особенности реализации ВОД МС?

4. Как осуществляется преобразование момента сил в процессе его регистрации с помощью представленного в работе датчика?

5. В чем заключаются достоинства и недостатки рассмотренной конструкции ВОД МС?

Литература

1. В.И. Бусурин, Ю.Р. Носов. «Волоконно-оптические датчики. Физические основы. Вопросы расчета и применения» - М., Энергоатомиздат, 1990, с. 256.

2. Мурашкина Т.И., Волчихин В.И. «Амплитудные волоконно-оптические датчики автономных систем управления». Монография. Пенза, изд-во Пензенского гос. Университета, 1999 г.

3. Ю.Н. Дубнищев. «Теория и преобразование сигналов в оптических системах». Санкт-Петербург, Москва, Краснодар, 2011 г.

4. Е.И. Бутиков. «Оптика». Санкт-Петербург, Москва, Краснодар, 2012 г.

5. М.М. Мирошников. «Теоретические основы оптико-электронных приборов». Санкт-Петербург, Москва, Краснодар, 2010 г.