Інформативно-надлишковий волоконно-оптичний сенсор тиску

Інформативно-надлишковий волоконнооптичний сенсор тиску, що включає в себе волоконно-оптичний перетворювач, волоконнооптичний кабель і оптико-електронний перетворювач, оптичні входи і вихід якого через волоконно-оптичний кабель, окінцьований першим та другим рознімними світловодними з'єднувачами типу вилка, з'єднані з відповідними оптичними виходами і входом волоконно-оптичного перетворювача, що містить виконані за одне ціле штуцер з мембраною, яка має дзеркальну внутрішню поверхню, корпус, наконечник, який, як і штуцер, з'єднаний з корпусом сенсора, прокладку, що жорстко з'єднана зі штуцером і наконечником, перший рознімний світловодний з'єднувач типу розетка, який прикріплений до наконечника, волоконно-оптичний джгут, один з кінців якого закріплений у наконечнику напроти центра дзеркальної внутрішньої поверхні мембрани, а другий - у першому рознімному світловодному з'єднувачі типу розетка, причому волоконнооптичний джгут містить передавальний волоконний світловод і розділені на дві групи приймальні волоконні світловоди, з яких першу 2 (19) 1 3 82946 4 лінзу і другу складену призму оптично з'єднані зі входом другого фотодіода, другий світлодіод, який закріплений у першому функціональному утримувачі і своїми електричними виводами підключений до відповідних контактів електричного роз’єму типу вилка, третю лінзу, що закріплена у першому функціональному утримувачі, прямокутну призму з двома дзеркальними гранями, яка закріплена у другому функціональному утримувачі таким чином, що оптичний вихід другого світлодіода, з одного боку, через третю лінзу, першу дзеркальну грань прямокутної призми і першу складену призму оптично з'єднаний зі входом першого фотодіода, з другого боку, через третю лінзу, другу дзеркальну грань прямокутної призми і другу складену призму оптично з'єднаний зі входом другого фотодіода, причому торці волоконних світловодів, які закріплені у наконечнику, розміщуються один відносно іншого за правилом розміщення елементів у квадратній матриці, центральним елементом якої виступає торець передавального волоконного світловоду, при цьому співвідношення значень діаметрів оболонки Dоб і серцевини Dc передавального і приймальних волоконних світловодів задовольняють умову {Dc }= {Dоб } 2 - {Dоб } . Винахід відноситься до області вимірювальної техніки і може бути застосований для високоточного вимірювання тиску в умовах дії теплових і електромагнітних полів, амплітудних вібрацій та високої радіації. Відомий волоконно-оптичний сенсор тиску [Пат. 4991590 США, МКИ А61В5/0215. Fiber optic intravascular blood pressure transducer / Weimin Shi (США), 1989], що включає в себе волоконнооптичний перетворювач, волоконно-оптичний кабель і оптико-електронний перетворювач, оптичний вхід і вихід якого через волоконнооптичний кабель, окінцьований першим та другим рознімними світловодними з'єднувачами типу вилка, з'єднані, відповідно, з оптичним виходом і оптичним входом волоконно-оптичного перетворювача, що містить виконані за одне ціле штуцер з мембраною, яка має дзеркальну внутрішню поверхню, корпус, наконечник, який, як і штуцер, з'єднаний з корпусом сенсора, перший рознімний світловодний з'єднувач типу розетка, який прикріплений до наконечника, волоконнооптичний джгут, один з кінців якого закріплений у наконечнику напроти центру дзеркальної внутрішньої поверхні мембрани, а другий - у першому рознімному світловодному з'єднувачі типу розетка, причому волоконно-оптичний джгут містить передавальний і приймальний волоконні світловоди, з іншого боку, оптико-електронний перетворювач містить кожух, електричний роз'єм типу вилка, який з'єднаний із кожухом, перший та другий функціональні утримувачі, які розміщені у кожусі, світлодіод і фотодіод, що закріплені у першому функціональному утримувачі і своїми електричними виводами підключені до відповідних контактів електричного роз'єму типу вилка, другий рознімний світловодний з'єднувач типу розетка, що прикріплений до кожуха, передавальний та приймальний волоконні світловоди, які закріплені в другому функціональному утримувачі таким чином, що торець передавального волоконного світловода оптично з'єднаний з виходом світлодіода, торець приймального волоконного світловода оптично з'єднаний зі входом фотодіода, другі торці передавального та приймального волоконних світловодів закріплені у другому рознімному світловодному з'єднувачі типу розетка. Недоліком даного волоконно-оптичного сенсора тиску є значна похибка перетворення потужності модульованого тиском потоку оптичного випромінювання у параметри електричного сигналу. Дана похибка обумовлена температурною нестабільністю параметрів функції перетворення фотодіоду. Відомому сенсору властиві також похибки від нелінійності функцій перетворення волоконно-оптичного перетворювача та фотодіода. Відомий також волоконно-оптичний сенсор тиску [Световодные датчики / Б.А.Красюк, О.Г.Семёнов, А.Г.Шереметьев и др. - М.: Машиностроение, 1990. - 256с.], що включає в себе волоконно-оптичний перетворювач, волоконно-оптичний кабель і оптико-електронний перетворювач, оптичні входи і вихід якого через волоконно-оптичний кабель, окінцьований першим та другим рознімними світловодними з'єднувачами типу вилка, з'єднані з відповідними оптичними виходами і входом волоконно-оптичного перетворювача, що містить штуцер, корпус, мембрану, яка має дзеркальну внутрішню поверхню і закріплена в корпусі сенсора, наконечник, який, як і штуцер, з'єднаний з корпусом сенсора, перший рознімний світловодний з'єднувач типу розетка, який прикріплений до наконечника, волоконно-оптичний джгут, один з кінців якого закріплений у наконечнику напроти центру дзеркальної внутрішньої поверхні мембрани, а другий - у першому рознімному світловодному з'єднувачі типу розетка, причому волоконно-оптичний джгут містить передавальні волоконні світловоди і розділені на дві групи приймальні волоконні світловоди, з іншого боку, оптико-електронний перетворювач містить кожух, електричний роз'єм типу вилка, який з'єднаний із кожухом, світло-діод, перший та другий фотодіоди, що закріплені у кожусі і своїми електричними виводами підключені до відповідних контактів електричного роз'єму типу вилка, другий рознімний світловодний з'єднувач типу розетка, що прикріплений до кожуха, передавальні та приймальні волоконні світловоди, торці яких закріплені в кожусі таким чином, що торці передавальних волоконних світловодів 5 оптично з'єднані з виходом світлодіода, торці першої групи приймальних волоконних світловодів оптично з'єднані зі входом першого фотодіода, торці другої групи приймальних волоконних світловодів - зі входом другого фотодіода, другі торці передавальних та приймальних волоконних світловодів закріплені у другому рознімному світловодному з'єднувачі типу розетка. Недоліком даного волоконно-оптичного сенсора тиску є наявність мультиплікативної та адитивної складових систематичної похибки перетворення потужностей модульованих тиском потоків оптичного випромінювання в параметри електричних сигналів. Дана похибка обумовлена нелінійністю функцій перетворення першого та другого фотодіодів, а також зміною їх світлових характеристик при зміні температури оточуючого середовища. Найбільш близьким за технічною сутністю до пропонованого сенсора є волоконно-оптичний сенсор тиску [Теоретические основы проектирования амплитудных волоконнооптических датчиков давления с открытым оптическим каналом / Е.А.Бадеева, А.В.Гориш, А.Н.Котов, Т.И.Мурашкина, А.Г.Пивкин: Монография. - М.: МГУЛ, 2004. -246с.], що включає в себе волоконно-оптичний перетворювач, волоконно-оптичний кабель і оптико-електронний перетворювач, оптичні входи і вихід якого через волоконно-оптичний кабель, окінцьований першим та другим рознімними світловодними з'єднувачами типу вилка, з'єднані з відповідними оптичними виходами і входом волоконно-оптичного перетворювача, що містить виконані за одне ціле штуцер з мембраною, яка має дзеркальну внутрішню поверхню, корпус, наконечник, який, як і штуцер, з'єднаний з корпусом сенсора, прокладку, що жорстко з'єднана зі штуцером і наконечником, перший рознімний світловодний з'єднувач типу розетка, який прикріплений до наконечника, волоконно-оптичний джгут, один з кінців якого закріплений у наконечнику напроти центру дзеркальної внутрішньої поверхні мембрани, а другий - у першому рознімному світловодному з'єднувачі типу розетка, причому волоконнооптичний джгут містить передавальний волоконний світловод і розділені на дві групи приймальні волоконні світловоди, з яких першу групу приймальних волоконних світловодів утворюють волоконні світловоди, центри серцевин яких віддалені від центру серцевини передавального волоконного світловода на відстань D1 рівну за значенням діаметру оболонки Dоб волоконних світловодів, тобто {D1}={Dоб}, другу групу приймальних волоконних світловодів утворюють волоконні світловоди, центри серцевин яких віддалені від центру серцевини передавального волоконного світловода на відстань D2 рівну за значенням сумі діаметрів оболонки Dоб і серцевини Dc волоконних світловодів, тобто {D2}={Dоб}+{Dс}, з іншого боку, оптико-електронний перетворювач містить кожух, електричний роз'єм типу вилка, стакан, який, як і електричний роз'єм типу вилка, з'єднаний із кожухом, перший та другий функціональні 82946 6 утримувачі, які розміщені у порожнині стакану, перший світлодіод, перший та другий фотодіоди, що закріплені у першому функціональному утримувачі і своїми електричними виводами підключені до відповідних контактів електричного роз'єму типу вилка, другий рознімний світловодний з'єднувач типу розетка, що прикріплений до дна стакану, передавальний та приймальні волоконні світловоди, торці яких закріплені в другому функціональному утримувачі таким чином, що торець передавального волоконного світловода оптично з'єднаний з виходом першого світлодіода, торці першої групи приймальних волоконних світловодів оптично з'єднані зі входом першого фотодіода, торці другої групи приймальних волоконних світловодів - зі входом другого фотодіода, другі торці передавального та приймальних волоконних світловодів закріплені у другому рознімному світловодному з'єднувачі типу розетка. Відомому сенсору тиску властива недостатня точність перетворення потужностей інформативних потоків оптичного випромінювання в параметри електричних сигналів через наявність мультиплікативної та адитивної складових систематичної похибки перетворення. Дана похибка обумовлена нелінійністю функцій перетворення першого та другого фотодіодів, а також температурною нестабільністю їх світлових характеристик. В основу винаходу покладена технічна задача створення інформативно-надлишкового волоконно-оптичного сенсора тиску, який завдяки додатковому введенню нових функціональних елементів та зв'язків між ними та з іншими функціональними елементами сенсора, забезпечував би виключення похибки від нелінійності функцій перетворення першого та другого фотодіодів та похибки обумовленої температурною нестабільністю їх параметрів. Поставлена технічна задача вирішується завдяки тому, що у інформативно-надлишковий волоконно-оптичний сенсор тиску, що включає в себе волоконно-оптичний перетворювач, волоконно-оптичний кабель і оптико-електронний перетворювач, оптичні входи і вихід якого через волоконно-оптичний кабель, окінцьований першим та другим рознімними світловодними з'єднувачами типу вилка, з'єднані з відповідними оптичними виходами і входом волоконно-оптичного перетворювача, що містить виконані за одне ціле штуцер з мембраною, яка має дзеркальну внутрішню поверхню, корпус, наконечник, який, як і штуцер, з'єднаний з корпусом сенсора, прокладку, що жорстко з'єднана зі штуцером і наконечником, перший рознімний світловодний з'єднувач типу розетка, який прикріплений до наконечника, волоконно-оптичний джгут, один з кінців якого закріплений у наконечнику напроти центру дзеркальної внутрішньої поверхні мембрани, а другий - у першому рознімному світловодному з'єднувачі типу розетка, причому волоконнооптичний джгут містить передавальний волоконний світловод і розділені на дві групи приймальні волоконні світловоди, з яких першу групу приймальних волоконних світловодів 7 утворюють волоконні світловоди, центри серцевин яких віддалені від центру серцевини передавального волоконного світловода на відстань D1 рівну за значенням діаметру оболонки Dоб волоконних світловодів, тобто {D1}={Dоб}, другу групу приймальних волоконних світловодів утворюють волоконні світловоди, центри серцевин яких віддалені від центру серцевини передавального волоконного світловода на відстань D2 рівну за значенням сумі діаметрів оболонки Dоб і серцевини Dc волоконних світловодів, тобто {D2}={Dоб}+{Dс}, з іншого боку, оптико-електронний перетворювач містить кожух, електричний роз'єм типу вилка, стакан, який, як і електричний роз'єм типу вилка, з'єднаний із кожухом, перший та другий функціональні утримувачі, які розміщені у порожнині стакану, перший світлодіод, перший та другий фотодіоди, що закріплені у першому функціональному утримувачі і своїми електричними виводами підключені до відповідних контактів електричного роз'єму типу вилка, другий рознімний світловодний з'єднувач типу розетка, що прикріплений до дна стакану, передавальний та приймальні волоконні світловоди, торці яких закріплені в другому функціональному утримувачі таким чином, що торець передавального волоконного світловода оптично з'єднаний з виходом першого світлодіода, торці першої групи приймальних волоконних світловодів оптично з'єднані зі входом першого фотодіода, торці другої групи приймальних волоконних світловодів - зі входом другого фотодіода, другі торці передавального та приймальних волоконних світловодів закріплені у другому рознімному світловодному з'єднувачі типу розетка додатково введено обмежуючий циліндр, що розташований в порожнині стакану між його дном і другим функціональним утримувачем, першу і другу лінзи, першу і другу складені призми, які закріплені у другому функціональному утримувачі таким чином, що торці першої групи приймальних волоконних світловодів через першу лінзу і першу складену призму оптично з'єднані зі входом першого фотодіода, торці другої групи приймальних волоконних світловодів через другу лінзу і другу складену призму оптично з'єднані зі входом другого фотодіода, другий світлодіод, який закріплений у першому функціональному утримувачі і своїми електричними виводами підключений до відповідних контактів електричного роз'єму типу вилка, третю лінзу, що закріплена у першому функціональному утримувачі, прямокутну призму з двома дзеркальними гранями, яка закріплена у другому функціональному утримувачі таким чином, що оптичний вихід другого світлодіода, з одного боку, через третю лінзу, першу дзеркальну грань прямокутної призми і першу складену призму оптично з'єднаний зі входом першого фотодіода, з другого боку, через третю лінзу, другу дзеркальну грань прямокутної призми і другу складену призму оптично з'єднаний зі входом другого фотодіода, причому торці волоконних світловодів, які закріплені у наконечнику, розміщуються один відносно іншого за правилом розміщення 82946 8 елементів у квадратній матриці, центральним елементом якої виступає торець передавального волоконного світловода, при цьому співвідношення значень діаметрів оболонки Dоб і серцевини Вс передавального і приймальних волоконних світловодів задовольняють умові {Dc } {Dоб } = 2 - { об } . D Перелік фігур креслення Фіг.1 - загальний вигляд інформативнонадлишкового волоконно-оптичного сенсора тиску. Фіг.2 - поперечний переріз А-А волоконнооптичного перетворювача. Фіг.3 - поздовжній розріз Б-Б волоконнооптичного перетворювача. Фіг.4 - поперечний переріз В-В оптикоелектронного перетворювача. Фіг.5 - поздовжній розріз Г-Г оптикоелектронного перетворювача. Фіг.6 - поздовжній розріз Д-Д оптикоелектронного перетворювача. Фіг.7 - поздовжній розріз Е-Е оптикоелектронного перетворювача. Фіг.8 - графічні побудови, що ілюструють процес відбивання потоку оптичного випромінювання від центральної частини дзеркальної поверхні мембрани при відсутності її прогину. - графічні побудови, що ілюструють Фіг.9 процес розподілу відбитого потоку оптичного випромінювання у площині торців приймальних волоконних світловодів при відсутності прогину мембрани (вид Є). Фіг.10 - графічні побудови, що ілюструють процес відбивання потоку оптичного випромінювання від центральної частини дзеркальної поверхні мембрани при її максимальному допустимому прогині. Фіг.11 - графічні побудови, що ілюструють процес розподілу відбитого потоку оптичного випромінювання у площині торців приймальних волоконних світловодів при максимальному допустимому прогині мембрани (вид Ж). Фіг.12 - графіки залежностей модульованих потоків оптичного випромінювання від вимірюваного тиску (точці А графіку відповідач ситуація зображена на Фіг.8 і Фіг.9, а точкам В і С графік)' - ситуація зображена на Фіг.10 і Фіг.11). Інформативно-надлишковий волоконнооптичний сенсор тиску включає в себе волоконнооптичний перетворювач 1, волоконно-оптичний кабель 2 і оптико-електронний перетворювач 3.(Фіг.1). Оптичні входи і вихід оптико-електронного перетворювача 3 через волоконно-оптичний кабель 2, окінцьований першим 9 та другим 17 рознімними світловодними з'єднувачами типу вилка, з'єднані з відповідними оптичними виходами і входом волоконно-оптичного перетворювача 1 (Фіг.1- Фіг.3, Фіг.5-Фіг.7). Волоконно-оптичний перетворювач 1 містить виконані за одне ціле штуцер 13 з мембраною 12, яка має дзеркальну внутрішню поверхню, корпус 7 і наконечник 8, який як і штуцер 13 з'єднаний з корпусом 7 сенсора (Фіг.3). Волоконно-оптичний перетворювач 1 містить також прокладку 11, яка жорстко з'єднана зі 9 штуцером 13 і наконечником 8, перший рознімний світло-водний з'єднувач типу розетка 10, який прикріплений до наконечника 8, та волоконнооптичний джгут (Фіг.3). Один з кінців волоконно-оптичного джгута закріплений у наконечнику 8 напроти центру дзеркальної внутрішньої поверхні мембрани 12, а другий - у першому рознімному світловодному з'єднувачі типу розетка 10 (Фіг.3). Волоконно-оптичний джгут містить передавальний волоконний світловод 6 і розділені на дві групи приймальні волоконні світловоди 4 і 5 (Фіг.2). Першу групу приймальних волоконних світловодів утворюють волоконні світловоди 4, центри серцевин яких віддалені від центру серцевини передавального волоконного світловода 6 на відстань D1 рівну за значенням діаметру оболонки Dоб волоконних світловодів, тобто {D1}={Dоб} (Фіг.9, Фіг.11). Другу групу приймальних волоконних світловодів утворюють волоконні світловоди 5, центри серцевин яких віддалені від центру серцевини передавального волоконного світловода 6 на відстань D2 рівну за значенням сумі діаметрів оболонки Dоб і серцевини Dс волоконних світловодів, тобто {D2}={Dоб}+{Dc} (Фіг.9, Фіг.11). Для виключення випадання роси або конденсату на дзеркальній поверхні мембрани 12 внутрішню порожнину волоконно-оптичного перетворювача 1 заповнюють інертним газом аргоном. Тиск аргону у внутрішній порожнині волоконно-оптичного перетворювача 1 встановлюють рівним {р0}. З другого боку, оптико-електронний перетворювач 3 містить кожух 14, електричний роз'єм типу вилка 24, стакан 15, який як і електричний роз'єм 24 з'єднанний із кожухом 14, а також перший 16 і другий 26 функціональні утримувачі, що розміщені у порожнині стакану 15 (Фіг.5-Фіг.7). Оптико-електронний перетворювач 3 містить також перший світлодіод 31, перший 23 та другий 29 фотодіоди, які закріплені у першому функціональному утримувачі 16. Електричні виводи першого світлодіода 31 і першого 23 та другого 29 фотодіодів підключені до відповідних контактів електричного роз'єму 24 (Фіг.5). Слід зазначити, що в якості першого 31 та другого 30 світлодіодів, підбираються світлодіоди з рівними за значенням характеристичними температурами {Тxар1}={Тxар2}={Тxар}. Оптико-електронний перетворювач 3 містить також другий рознімний світловодний з'єднувач типу розетка 18, що прикріплений до дна стакану 15, і передавальний 6 та приймальні 4 і 5 волоконні світловоди (Фіг.5, Фіг.6). Останні закріплені в другому функціональному утримувачі 26 таким чином, що торець передавального волоконного світловода 6 оптичне з'єднаний з виходом першого світлодіода 31, торці першої групи приймальних волоконних світловодів 4 оптично з'єднані з входом першого фотодіода 23, а торці другої групи приймальних волоконних світловодів 5-з входом другого фотодіода 29 (Фіг.5, Фіг.7). 82946 10 Другі торці передавального 6 та приймальних 4 і 5 волоконних світловодів закріплені у другому рознімному світловодному з'єднувачі 18 (Фіг.6). У інформативно-надлишковий волоконнооптичний сенсор тиску додатково введено обмежуючий циліндр 19, першу 20, другу 25 і третю 28 лінзи, першу 21 та другу 27 складені призми, прямокутну призму 22 з двома дзеркальними гранями і другий світлодіод 30 (Фіг.5). Обмежуючий циліндр 19 розташований в порожнині стакану 15 між його дном і другим функціональним утримувачем 26. Третя лінза 28 і другий світлодіод 30 закріплені у першому функціональному утримувачі 16 таким чином, що геометричні центри випромінювальної площадки другого світлодіода 30 і третьої лінзи 28 лежать на одній оптичній вісі. Електричні виводи другого світлодіода 30 підключені до відповідних контактів електричного роз'єму 24 (Фіг.5). Перша 20 і друга 25 лінзи, перша 21 і друга 27 складені призми та прямокутна призма 22 з двома дзеркальними гранями, закріплені у другому функціональному утримувачі 26 таким чином, що торці першої групи приймальних волоконних світловодів 4 через першу лінзу 20 і першу складену призму 21 оптично з'єднані з входом першого фотодіода 23, а торці другої групи приймальних волоконних світловодів 5 через другу лінзу 25 і другу складену призму 27-з входом другого фотодіода 29 (Фіг.5). з Оптичний вихід другого світлодіода 30 одного боку через третю лінзу 28, першу дзеркальну грань прямокутної призми 22 і першу складену призму 21 оптично з'єднаний з входом першого фотодіода 23, а з другого боку, через третю лінзу 28, другу дзеркальну грань прямокутної призми 22 і другу складену призму 27 оптично з'єднаний з входом другого фотодіода 29 (Фіг.5). Причому торці волоконних світловодів 4, 5 і 6, які закріплені у наконечнику 8, розміщуються один відносно іншого за правилом розміщення елементів у квадратній матриці, центральним елементом якої виступає торець передавального волоконного світловода 6 (Фіг.2, Фіг.9, Фіг.11). При цьому співвідношення значень діаметрів оболонки Dоб і серцевини Dc передавального 6 і приймальних 4 і 5 волоконних світловодів D D задовольняють умові {Dc } = { об } 2 - { об } . Перед тим, як розглянути ряд можливих режимів роботи волоконно-оптичного інформативно-надлишкового сенсора пояснимо сутність процесу модуляції потоку оптичного випромінювання вимірюваним тиском р x. Модуляція потоку оптичного випромінювання у інформативно-надлишковому волоконнооптичному сенсорі тиску здійснюється шляхом зміни відстані di між дзеркальною поверхнею мембрани 12 і торцями волоконних світловодів 4, 5 і 6 під дією вимірюваного тиску рx (Фіг.8, Фіг.10). Потік оптичного випромінювання Фн0, що генерується першим світло-діодом 31, по передавальному волоконному світловоду б поступає на вихід оптико-електронного перетворювача 3 і через волоконно-оптичний кабель 2 передається на вхід волоконно-оптичного перетворювача 1. 11 82946 По передавальному волоконному світловоду 6 потік оптичного випромінювання Фн0 поступає на дзеркальну поверхню мембрани 12, відбивається від неї та формує в площині торців приймальних волоконних світловодів 4 і 5 освітлену кільцеву зону (на Фіг.9 і Фіг.11 дана зона замальована сірим кольором). Площа освітленої кільцевої зони Sк зв'язана з відстанню dі наступним рівнянням величин1 : 1 (Зак Е.А. Волоконно-оптические преобразователи с внешней модуляцией. - М.: Энергоатомиздат, 1989. -С.62-63.) S к = p(R 2 - R2 ) = k 3 pdirc tg QNA , зов вн 2 де Rвн і Rзов - внутрішній і зовнішній радіуси освітленої кільцевої зони, причому = k 2ditg Q NA - rc і Rзов = k 2ditg Q NA + rc ; QNA і rc Rвн апертурний кут і радіус серцевин волоконних світловодів 4, 5 і 6, причому r2=Dс/k2; k2=2. У начальному положенні мембрани 12 (при рівності значень тиску p0 у внутрішній порожнині волоконно-оптичного перетворювача 1 і тиску навколишнього середовища рx) площі S1 і S2 освітлених частин серцевин волоконних світловодів 4 і 5 рівні за значенням (Фіг.8, Фіг.9). При збільшенні значення тиску р x({px}>{p 0}), відстань dі між центром мембрани 12 і площиною, в якій розташовані торці приймальних волоконних світловодів 4 і 5, зменшується (Фіг.10). Функція перетворення тиску рx у відстань di для закріпленої по контуру пласкої мембрани 12 в 2 S1 = prc 12 області малих переміщень описується лінійним рівнянням величин1 : 1 (Андреева Л.Е. Упругие элементы приборов. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1981.-С.154-155.): di=d0-Sтв(px-р0), де d0 - початкова відстань між центром мембрани 12 і площиною в якій розташовані торці приймальних волоконних світловодів 4 і 5; Sтв коефіцієнт перетворення тиску у відстань, причому 2 {Sтп } = [3 {Rм }4 (1 - mм )]/(16{Eм }{hм }3 ) ; {Rм} і {hм] - значення радіусу і товщини мембрани; {Ем} - значення модуля Юнга матеріалу мембрани; m м - коефіцієнт Пуассона матеріалу мембрани. Зміна відстані dі призводить до зміни площ освітлених частин серцевин волоконних світловодів 4 і 5 (Фіг.8-Фіг.11): площа S1 освітлених частин серцевин волоконних світловодів 4 збільшується, а площа S2 освітлених частин серцевин волоконних світловодів 5 зменшується, 2 причому2 (Рівняння величин (2) запозичене з наступної монографії: Бадеева Е.А., Гориш А.В., Котов А.Н., Мурашкина Т.И., Пивкин А.Г. Теоретические основы проектирования амплитудных волоконнооптических датчиков давления с открытым оптическим каналом: Монография. -М.: МГУЛ, 2004. - С.75-76.) é é a1 ù æ a1 öù ù R2 é вн êk ÷ ú ú - s in êk 2 arcsin ç parcsin ê ç k R ÷ú ú k2 ê ê ë k 2Rвн û è 2 вн øú û ë û ë é é a ù æ a r2 é - c êk p arcsin ê 1 ú - sin êk p arcsin ç 1 çk r k2 ê ê ë k 2rc û è 2c ë ë S2 = öù ù ÷ú ú, ÷ú ú øû û 2 é é a ù æ a1 ö ù ù Rвн é ÷ ú êk parcsin ê 1 ú - sinêk 2 arcsinç ç k R ÷úú k2 ê ê ë k 2Rвн û è 2 вн ø ú û ë û ë é é a ù æ a r2 é - c êk p arcsinê 1 ú - sinêk p arcsinç 1 çk r k2 ê ê ë k 2rc û è 2c ë ë Де 2 æD r 2 - R2 ö 2 вн ÷ ; a1 = k 2 rc - ç 1 + c ç k2 k 2D1 ÷ ø è æD r 2 - R2 ö 2 зов ÷ a 2 = k 2 rc - ç 2 + c ç k2 k 2D2 ÷ ø è 2 ; kp = p/90. В результаті зміни площ S1 і S1 змінюються і потужності потоків оптичного випромінювання Фм1 і öù ù ÷ú ú, ÷ ú øú û û (1) (2) Фм2, які приймаються торцями першої та другої груп приймальних волоконних світловодів 4 і 5, відповідно. Потужності потоків Фм1 і Фм2 зв'язані з тиском рx наступними рівняннями величин: 13 Фм1 = Фн0 = 82946 rn1S1 = Sк Фн0n1r ´ 3 pd r tgQ k2 i c NA ù é é a ù ú êk parcsin ê 1 ú 2 ú ë k 2Rвн û 2 - R вн ê prc úê k2 ê é æ a1 ö ù ú ê- sinêk 2 arcsinç k R ÷ ú ú ÷ ç ê è 2 вн ø ú ú ê ë ûû ë é é a ù æ a r2 é - c êk p arcsinê 1 ú - sinêk p arcsinç 1 çk r k2 ê ê ë k 2rc û è 2c ë ë Фм2 = Ф н0 = 14 öù ù ÷ú ú , ÷ ú øú û û rn 2 S 2 = Sк Фн0 n 2 r ´ 3 k 2 pdi rc tgQ NA é ù é a2 ù êk parcsin ê ú úú R2 ê ë k 2 R вн û вн ê úk2 ê é æ a 2 öù ú ç ÷ú ú ê- sin êk 2 arcsinç k R ÷ ê è 2 вн øú ú ê ûû ë ë é é a ù æ a r2 é - c êk p arcsin ê 2 ú - sinêk p arcsinç 2 çk r k2 ê ê ë k 2 rc û è 2c ë ë де r - коефіцієнт відбивання дзеркальної поверхні мембрани 12; n1 - кількість приймальних волоконних світловодів 4 першої групи; n2 кількість приймальних волоконних світловодів 5 другої групи. Слід зазначити, що нелінійні функції перетворення Фм1(px) (3) і Фм2(рх) (4) є взаємноінверсними - функція перетворення Фм2(рх) є дзеркальним відображенням функції перетворення Фм1(рx) (Фіг.12). Завдяки цьому різницева функція Фp(px)=Фм1(px)-Фм2(px) (функція перетворення волоконно-оптичного перетворювача 1) носить лінійний характер і може бутиФр(рx)=Фм1(рx)=Фм2(рx)=Sпр(рx–p0), апроксимована функцією виду де Sпр - крутість перетворення, причому {Sпр}={S px}{Фн0}; Spx – постійний коефіцієнт, значення якого визначається в процесі калібрування волоконно-оптичного перетворювача 1. Сутність процесу калібрування волоконнооптичного перетворювача 1 полягає у наступному. У штуцер 13 підводиться регульований з високою точністю тиск рц, значення якого встановлюється рівним верхній межі діапазону вимірювання. За допомогою високоточного оптичного тестера, що підключається через перший світловодний з'єднувач 10 до волоконнооптичного перетворювача 1, вимірюються потужності потоків оптичного випромінювання Фм1 і Фм2.Значення постійного коефіцієнту Spx знаходиться за рівнянням числових значень {Spx } = (3) {Фм1 } - {Фм1 } . {Фн0 }({рн } - {р0 }) Одержане значення постійного коефіцієнту Spx запам'ятовується. На цьому процес калібрування закінчується. (4) öùù ÷úú , ÷ ú øúû û Запропонований інформативно-надлишковий волоконно-оптичний сенсор тиску має чотири режими роботи. У перших трьох режимах роботи у напруги перетворюються додаткові потоки оптичного випромінювання, що формуються другим світлодіодом 30. У четвертому режимі у напруги перетворюються модульовані потоки випромінювання Фм1 і Фм2, які приймаються торцями першої та другої груп приймальних волоконних світловодів 4 і 5, відповідно. Перетворення потоків оптичного випромінювання у напруги здійснюється за допомогою першого 23 і другого 29 напівпровідникових фотодіодів (Фіг.5). Функції перетворення зазначених фотодіодів описуються відомими рівняннями величин1 1 (Соболева Н. А., Меламид А. Е. Фотоэлектронные приборы. Учеб. пособие для студентов специальности «Электронные приборы» вузов. - М.: «Высшая школа», 1974, 376 с.): kT æ S ö U1 = x lnç I1 Фx1 + k 1 ÷ , ç ÷ q è Is1 ø æS ö kT U2 = x lnç I1 Фx2 + k1 ÷ , ÷ q ç Is2 è ø де Тх - температура оточуючого середовища; k - стала Больцмана; q - заряд електрону; Sі1 і Іs1 струмова чутливість і темновий струм першого фотодіоду 23; SI2 і Is2 - струмова чутливість і темновий струм другого фотодіоду 29; Фx1 і Фx2 - потоки оптичного випромінювання, що поступають на входи першого 23 і другого 29 фотодіодів, відповідно; k1=1. Якщо потужності потоків Фx1 і Фx2 встановлюються такими, що виконуються нерівності {SI1}{Фx1}/{Is1}»1 і {SI2}{Фx2}/{І s2}»1, то 15 82946 функції перетворення першого 23 і другого 29 фотодіодів можуть бути представлені у наступному вигляді: U1 = ö kTx æ SI1 Ф x1 ÷ , ln ç ÷ q ç Is1 è ø U2 = ö kTx æ SI1 Ф x2 ÷ , ln ç ÷ q ç Is 2 è ø è Is1 ø q ê Is1 k 2 ë è Txp øú û У свою чергу потік оптичного випромінювання Ф12, відбитий від другої дзеркальної грані прямокутної призми 22, через другу складену призму 27 поступає на вхід другого фотодіода 29. У результаті на виході останнього утворюється напруга æ S æ T - T öù ö kTx é SI2 Фн2 kTx 0 ÷ú U12 = 1nç I2 ф12 ÷ = 1n ê expç x (6) ç ÷ ç ÷ q è Is2 ø q відносно поточної температури оточуючого середовища Tx. У наслідок протікання струму І н2 через р-nперехід, другого світлодіода 30 останній генерує потік оптичного випромінювання Ф2 = Фн2 exp [(Tx - T0 ) / Txp ] Перший режим роботи. У першому режимі роботи на вхід першого світлодіода 31 струм живлення не подають. На вхід другого світлодіода 30 через електричний роз'єм 24 подають перший нормований за значенням струм I н1. Причому значення струму I н1 встановлюють таким, щоб виключити додатковий нагрів р-n-переходу другого світлодіода 30 відносно поточної температури оточуючого середовища Tx. протікання струму Iн1 через р-nУ результаті перехід, другого світлодіода 30 останній генерує потік оптичного випромінювання Ф1=Фн1ехр[(Tx-T0)/Txp], де Фн1 - перший нормований за значенням потужності потік оптичного випромінювання, який генерується другим світлодіодом 30 при нормальній температурі оточуючого середовища T0=298К; Тxp - характеристична температура. Зазначений потік через третю лінзу 28 поступає на дві дзеркальні грані прямокутної призми 22. Відбиваючись від них потік оптичного випромінювання Ф1 розділяється на два рівні за потужністю потоки оптичного випромінювання Ф11 і Ф12. Відбитий від першої дзеркальної грані прямокутної призми 22 потік оптичного випромінювання Ф11 через першу складену призму 21 поступає на вхід першого фотодіода 23. У результаті на виході останнього утворюється напруга æ S æ T - T0 ö ù ö kTx é SI1 Фн1 kTx ÷ú expç x 1nê 1nç I1 ф11÷= U11= (5) ç ÷ ç ÷ q 16 ê Is2 k 2 ë è Txp øú û Далі напруги U11 (5) і U12 (6) вимірюються, а отримані значення запам'ятовуються. Одержані в даному режимі роботи напруги U11 (5) і U12 (6) несуть інформацію про: - перший нормований за значенням потужності потік оптичного випромінювання Фн1; - температуру оточуючого середовища Тх; - параметри SI1, SI2 , 1s1 і І s2 функцій перетворення першого 23 і другого 29 фотодіодів. Другий режим роботи. У другому режимі роботи на вхід першого світлодіода 31 (Фіг.5) струм живлення також не подають. Через електричний роз'єм 24 на вхід другого світлодіода 30 подають другий нормований за значенням струм І н2. Значення струму І н2 встановлюють більшим за значення струму І н1, але таким, що виключає додатковий нагрів р-n-переходу другого світло-діода 30 де Фн2 - Другий нормований за значенням потужності потік оптичного випромінювання, який генерується другим світлодіодом 30 при нормальній температурі оточуючого середовища T0=298К. Аналогічно до першого режиму, потік оптичного випромінювання Ф2 через третю лінзу 28 поступає на прямокутну призму 22 і за її допомогою розділяється на два рівні за потужністю потоки оптичного випромінювання Ф21 і Ф22. Відбитий від першої дзеркальної грані прямокутної призми 22 потік оптичного випромінювання Ф21 через першу складену призму 21 поступає на вхід першого фотодіода 23 і перетворюється у напругу U21 = æ T - T öù ö kTx é SI2 Фн2 kTx æ SI2 0 ÷ú ÷ ê 1nç expç x ç I ф 21÷ = q 1nê I ç Txp ÷ú q k2 è s2 ø è øû ë s2 (7) У той же час потік оптичного випромінювання Ф22, відбитий від другої дзеркальної грані прямокутної призми 22, через другу складену призму 27 поступає на вхід другого фотодіода 29 і перетворюється у напругу U22 = æ T - T öù ö kTx é SI2 Фн2 kTx æ SI2 0 ÷ú ÷ ê 1nç expç x ç I ф22 ÷ = q 1nê I ç Txp ÷ ú q k è s2 ø è øû ë s2 2 (8) Далі напруги U21 (7) і U22 (8) вимірюються, а отримані значення запам'ятовуються. На відміну від напруг U11 (5) і U12 (6), одержаних у першому режимі роботи, напруги U21 (7) і U23 (8) несуть інформацію про: - другий нормований за значенням потужності потік оптичного випромінювання Фн2; - температуру оточуючого середовища Тx; - параметри SI1, SI2 , I s1 і 1s2 функцій перетворення першого 23 і другого 29 фотодіодів. Третій режим роботи. У третьому режимі, як і у двох попередніх режимах, на вхід першого світлодіода 31 (Фіг.5) струм живлення не подають. На вхід другого світлодіода 30 через електричний роз’їм 24 подають третій нормований за значенням струм I н3. Причому значення цього струму встановлюють таким, щоб з одного боку, забезпечити нагрів р-nпереходу другого світлодіода 30 на нормований за значенням приріст температури DТ0, а з другого забезпечити генерацію потоку оптичного випромінювання Ф3 Фн3 exp [(Tx - T0 + DT0 ) / Txp ] = де Фн3 - третій нормований за значенням потужності потік оптичного випромінювання, який генерується другим світлодіодом 30 при нормальній температурі оточуючого середовища T0=298К. Аналогічно до попередніх двох режимів роботи, потік оптичного випромінювання Ф3 через третю лінзу 28 поступає на дві дзеркальні грані прямокутної призми 22 і розділяється на два рівні за потужністю потоки оптичного випромінювання Ф31 І Ф32. 17 82946 Відбитий від першої дзеркальної грані прямокутної призми 22 потік оптичного випромінювання Ф31 через першу складену призму 21 поступає на вхід першого фотодіода 23. У результаті на виході останнього утворюється напруга U31= æ T - T + DT öù ö kTx é SI1 Фн3 kTx æ SI2 0 0 ÷ú ÷ 1nç 1n ê exp ç x ç I ф31 ÷= ç ÷ú q q Txp ê Is1 k 2 è s2 ø è øû ë (9) Одночасно потік оптичного випромінювання Ф32, відбитий від другої дзеркальної грані прямокутної призми 22, через другу складену призму 27 поступає на вхід другого фотодіода 29. У результаті на виході останнього утворюється напруга æ SI2 æ T - T0 + DT0 ö ù ö kTx é SI1 Фн3 kT x ç ÷ ú (10) exp ç x 1nê ф 32 ÷ = 1nç U32 = ÷ ÷ú ç k q T êI I q è s2 ø ë s1 2 xp è øû Потім напруги U31 (9) і U32 (10) вимірюються, а одержані значення запам'ятовуються. У порівнянні з напругами, одержаними у двох попередніх режимах роботи, напруги U31 (9) і U32 (10) містять інформацію про: - третій нормований за значенням потужності потік оптичного випромінювання Фн3. - нормований за значенням приріст DТ0 температури p-n-переходу другого світлодіода 30; - температуру оточуючого середовища Тх; - параметри SI1, SI2 , 1s1 і I s2 функцій перетворення першого 23 і другого 29 фотодіодів. Четвертий режим роботи. У четвертому режимі роботи струм живлення не подають на вхід другого світлодіода 30. У той же час на вхід першого світлодіода 31 (Фіг.7) через електричний роз'єм 24 подають четвертий нормований за значенням струм І н4. Значення струму І н4 встановлюють таким, щоб, з одного боку, забезпечити нагрів p-n-переходу першого світлодіода 31 на нормований за значенням приріст температури DТ0, а з другого забезпечити генерацію потоку оптичного випромінювання Ф0 Фн0 exp [(Tx - T0 + DT0 ) / Txp ] , = де Фн0 - нормований за значенням потужності потік випромінювання, що генерується першим світлодіодом 31 при нормальній температурі оточуючого середовища Т0=298К. Потік оптичного випромінювання Ф0 з виходу першого світлодіода 31 через передавальний волоконний світловод 6 і волоконно-оптичний кабель 2 поступає на дзеркальну поверхню мембрани 12. Потік оптичного випромінювання Фм1, відбитий від дзеркальної поверхні мембрани 12, падає на площину, в якій розташовані торці приймальних волоконних світловодів 4 і 5 (Фіг.8-Фіг.11). Одна частина потоку оптичного випромінювання Фм1 (3) приймається торцями першої групи приймальних волоконних світловодів 4 і по волоконно-оптичному кабелю 2 через першу лінзу 20 (Фіг.5) і першу складену призму 21 поступає на вхід першого фотодіода 23. Потік оптичного випромінювання Фм1 (3) перетворюється у напругу é æ T - T + DT ö ù S kT 0 0 ÷ú U41 = x ln ê I1 фм1 exp ç x (11) ç ÷ q ê Is1 ë è Txp øú û 18 Друга частина потоку оптичного випромінювання Фм2 (4) приймається торцями другої групи приймальних волоконних світловодів 5 і по волоконно-оптичному кабелю 2 через другу лінзу 25 і другу складену призму 27 поступає на вхід другого фотодіода 29 (Фіг.5). Потік оптичного випромінювання Фм2 (4) перетворюється у напругу U42 = æ T - T + DT ö ù kTx é SI2 0 0 ÷ú фм2 exp ç x ln ê ç ÷ú Txp q ê Is2 è øû ë (12) Напруги U41 (11) і U42 (12) вимірюються. Отримані значення запам'ятовуються. На відміну від напруг, отриманих у трьох попередніх режимах роботи, напруги U41 (11) і U42 (12) містять інформацію про: - модульовані тиском рx потоки оптичного випромінювання Фм1 і Фм2; - нормований за значенням приріст DТ0 температури р-n-переходу першого світлодіода 31; - температуру оточуючого середовища Тx; - параметри SI1, SI2, I s1 і Is2 функцій перетворення першого 23 і другого 29 фотодіодів. Якщо за допомогою запропонованого інформативно-надлишкового волоконно-оптичного сенсора тиску реалізувати всі чотири режими роботи, то дійсне значення невідомого тиску р x можна визначити згідно з рівнянням вимірювання px = Фн3 k 2Sпр k1 é U31 - U41 æ Фн2 ö ù ÷ú exp ê lnç ç ÷ ê U21 - U11 è Фн1 ø ú ë û k1 é U - U42 æ Фн2 ö ù ÷ú exp ê 32 ln ç ç ÷ ê U22 - U12 è Фн1 ø ú ë û + р0 (13) При обробці результатів проміжних вимірювань (5)-(12) за рівнянням вимірювання (13) забезпечується виключення: а) похибки від нелінійності функції перетворення волоконно-оптичного перетворювача 1; б) похибки від нелінійності і температурної нестабільності функцій перетворення першого та другого фотодіодів 23 і 29; в) похибки від температурної нестабільності ампер-ватних характеристик першого 31 та другого 30 світлодіодів. Це неважко показати, якщо у рівняння вимірювання (13) підставити рівняння величин (5)(12) і привести подібні. Завдяки створенню описаного сенсора тиску був досягнутий позитивний ефект - створення інформативно-надлишкового волоконно-оптичного сенсора тиску, використання якого при реалізації оптико-електронних методів вимірювання забезпечує автоматичну корекцію мультиплікативної та адитивної складових систематичної похибки перетворення потужностей модульованих потоків оптичного випромінювання в параметри електричних сигналів. Позитивний ефект отриманий завдяки додатковому введенню нових функціональних елементів та їх зв'язків між собою та з іншими функціональними елементами інформативнонадлишкового волоконно-оптичного сенсора тиску. 19 Таким чином, волоконно-оптичний інформативно-надлишковий сенсор тиску забезпечує 82946 20 вирішення зазначеної технічної задачі. 21 82946 22 23 Комп’ютерна верстка Н. Лисенко 82946 Підписне 24 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601