Волоконно-оптичний датчик тиску

Реферат: Волоконно-оптичний датчик тиску містить дев'ять світлодіодів, фотоприймач, мембранний чутливий елемент, десять світловодів, що зв'язані відповідно з дев'ятьма світлодіодами і фотоприймачем, який через аналого-цифровий перетворювач з'єднаний з мікроконтролером, що своїм входом підключений до датчика температури, першим виходом - до індикатора, а другим виходом - до драйвера світлодіодів, який з'єднаний з дев'ятьма світлодіодами. Торці світловодів оптично зв'язані з чутливим елементом. Торець світловода, зв'язаного з фотоприймачем, розміщений на початку систем координат, а торці дев'яти світловодів, зв'язаних з дев'ятьма світлодіодами, розміщені в системі координат, згідно з точками плану ортогонального центрального композиційного планування. Мембранний чутливий елемент встановлений на прокладку, яка виконана у вигляді кільцевого п'єзоелемента, підключеного через цифро-аналоговий перетворювач до третього виходу мікроконтролера. UA 101771 U (12) UA 101771 U UA 101771 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до вимірювальної техніки і може використовуватися для вимірювання тиску в інформаційно-вимірювальних системах. Відомий волоконно-оптичний датчик тиску, який містить n світлодіодів, фотоприймач, мембранний чутливий елемент, (n+1) світловодів, що зв'язані відповідно з n світлодіодами і фотоприймачем, який через аналого-цифровий перетворювач під'єднаний до мікроконтролера, що своїм входом підключений до датчика температури, першим виходом - до індикатора, а другим - до драйвера світлодіодів, який з'єднаний з світлодіодами, торці світловодів оптично зв'язані з мембранним чутливим елементом і розміщені уздовж горизонтальної та вертикальної осей симетрії мембрани, а торець світловода, зв'язаного з фотоприймачем, розміщений на початку системи координат [Патент № 92188, Україна, МПК G01L 11/00, G01L 9/00. Волоконнооптичний датчик тиску. - № U201400183; заявл.13.01.2014; опубл. 11.08.2014, Бюл. № 15]. Недоліками пристрою є недостатня точність вимірювання тиску, неможливість отримання математичних моделей залежності тиску і прогину мембран від координат розміщення торців світловодів, використання яких дає можливість підвищити точність вимірювання тиску необхідність отримувати і зберігати в пам'яті мікроконтролера поправку ΔΡ з урахуванням дії температури та розраховувати скореговане значення тиску Ркор. Найбільш близьким до запропонованого є волоконно-оптичний датчик тиску, який містить дев'ять світлодіодів, фотоприймач, мембранний чутливий елемент, десять світловодів, що зв'язані відповідно з дев'ятьма світлодіодами і фотоприймачем, який через аналого-цифровий перетворювач під'єднаний до мікроконтролера, що своїм входом підключений до датчика температури, першим виходом - до індикатора, а другим виходом - до драйвера світлодіодів, який з'єднаний з дев'ятьма світлодіодами, торці світловодів оптично зв'язані з чутливим елементом, причому торець світловода, зв'язаного з фотоприймачем, розміщений на початку системи координат, а торці дев'яти світловодів, зв'язаних з дев'ятьма світлодіодами, розміщені в системі координат, згідно з точками плану ортогонального центрального композиційного планування [рішення про видачу деклараційного патенту на корисну модель за заявкою № U201412582 від 13.02.2015 p.]. Недоліками пристрою є необхідність отримувати і зберігати в пам'яті мікроконтролера поправки ΔΡ з урахуванням дії температури та розраховувати скореговані значення тиску Р i. В основу корисної моделі поставлена задача розробити волоконно-оптичний пристрій, що забезпечує автоматичну компенсацію температурної похибки в процесі вимірювання тиску. Поставлена задача вирішується тим, що у волоконно-оптичному датчику тиску, який містить дев'ять світлодіодів, фотоприймач, мембранний чутливий елемент, десять світловодів, що зв'язані відповідно з дев'ятьма світлодіодами і фотоприймачем, який через аналого-цифровий перетворювач під'єднаний до мікроконтролера, що своїм входом підключений до датчика температури, першим виходом - до індикатора, а другим виходом - до драйвера світлодіодів, який з'єднаний з дев'ятьма світлодіодами, торці світловодів оптично зв'язані з чутливим елементом, причому торець світловода, зв'язаного з фотоприймачем, розміщений на початку системи координат, а торці дев'яти світловодів, зв'язаних з дев'ятьма світлодіодами, розміщені в системі координат, згідно з точками плану ортогонального центрального композиційного планування, згідно з корисною моделлю, мембранний чутливий елемент установлюється на прокладку, яка виконана у вигляді кільцевого п'єзоелемента, підключеного через цифроаналоговий перетворювач до третього виходу мікроконтролера. Застосування прокладки у вигляді кільцевого п'єзоелемента, підключеного через цифроаналоговий перетворювач до третього виходу мікроконтролера, і установка на неї мембранного чутливого елемента дозволяє автоматично компенсувати температурну похибку в процесі вимірювання тиску. На фіг. 1 зображена конструкція волоконно-оптичного датчика тиску, на фіг. 2 - розміщення торців світловодів перед площиною чутливого елемента, а на фіг. 3 - функціональна схема датчика. Волоконно-оптичний датчик тиску складається із мембранного чутливого елемента 1, який закріплений в корпусі 2. Перед чутливим елементом 1 розташовано дев'ять передаючих світловодів 3 і приймаючий світловод 4, на виході якого встановлено фотоприймач 5. На входах передаючих світловодів 3 встановлено дев'ять світлодіодів 6. Торці світловодів 3 оптично зв'язані з чутливим елементом 1 і розміщені в системі координат ХУ, згідно з точками ортогонального центрального композиційного планування, а торець світловода 4, зв'язаного з фотоприймачем 5, розміщено на початку системи координат. Фотоприймач 5 через аналогоцифровий перетворювач 7 під'єднаний до мікроконтролера 8, який своїм входом підключений до датчика температури 9, першим виходом - до індикатора 10, а другим виходом - до драйвера 11 світлодіодів. Драйвер 11 світлодіодів з'єднаний з дев'ятьма світлодіодами 6, які зв'язані з 1 UA 101771 U 5 10 15 20 25 30 дев'ятьма світловодами 3. Чутливий елемент 1 установлюється на прокладку 12, яка виконана у вигляді кільцевого п'єзоелемента, підключеного через цифро-аналоговий перетворювач 13 до третього виходу мікроконтролера 8. Волоконно-оптичний датчик тиску працює наступним чином. Мікроконтролер 8 через цифроаналоговий перетворювач 13 подає напругу на кільцевий п'єзоелемент 12 для компенсації температурної похибки ΔΡ і виконує почергове включення світлодіодів 6 шляхом подачі цифрових сигналів драйвера 11 світлодіодів. Драйвер 11 перетворює отриманий сигнал у номер світлодіода, який необхідно підключити, і подає на нього струм фіксованої величини. Світлодіод, в свою чергу, перетворює цей струм у світловий потік. Передаючі світловоди 3 почергово, у відповідності з програмою, засвічують поверхню мембрани 1, яка закріплена в корпусі 2 та приймає тиск Р. Засвічування вихідних торців, наприклад, виконується зліва направо по рядкам, починаючи з верхнього. Мембрана 1 під дією тиску Ρ і вібрацій змінює свою форму. Відбиті від поверхні мембрани 1 світлові сигнали потрапляють в зону світлоприймаючого волокна 4, а по ньому - на фотоприймач 5, який перетворює інтенсивність світлового потоку в напругу. Отримані значення напруги в аналого-цифровому перетворювачі 7 перетворюються в цифровий код. Після того, як мікроконтролер 8 отримає дев'ять значень напруги, він виконує розрахунок поточних значень тиску Pj в кожній з дев'яти точок плану ортогонального центрального композиційного планування (ОЦКП) з використанням алгоритму цифрової обробки сигналів. З урахуванням отриманих поточних значень тиску Рі за алгоритмом обробки результатів експерименту, отриманих по плану ОЦКП, будується математична модель 2 2 P-b0+b1x+b2y+b12xy±b11 × +b22y , де b0,b1,b2,b12,b11,b22 - коефіцієнти математичної моделі, х, у - координати точки мембрани, в якій розраховується тиск. По математичній моделі знаходять величину тиску в різних точках мембрани 1, а потім розраховують середнє значення тиску Рср, яке передається на цифровий індикатор 10. За рахунок автоматичної компенсації температурної похибки ΔΡ, побудови математичної моделі P=F(x, y) та усереднення значень тиску, отриманих по цій моделі, зменшуються похибки від впливу температури, вібрацій та інших факторів. Застосовування запропонованого волоконно-оптичного датчика забезпечує можливість спростити процес корегування значень тиску Pi шляхом введення автоматичної компенсації температурної похибки ΔΡ. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 35 40 45 Волоконно-оптичний датчик тиску, який містить дев'ять світлодіодів, фотоприймач, мембранний чутливий елемент, десять світловодів, що пов'язані відповідно з дев'ятьма світлодіодами і фотоприймачем, який через аналого-цифровий перетворювач з'єднаний з мікроконтролером, що своїм входом підключений до датчика температури, першим виходом - до індикатора, а другим виходом - до драйвера світлодіодів, який з'єднаний з дев'ятьма світлодіодами, торці світловодів оптично зв'язані з чутливим елементом, причому торець світловода, зв'язаного з фотоприймачем, розміщений на початку систем координат, а торці дев'яти світловодів, зв'язаних з дев'ятьма світлодіодами, розміщені в системі координат, згідно з точками плану ортогонального центрального композиційного планування, який відрізняється тим, що мембранний чутливий елемент встановлений на прокладку, яка виконана у вигляді кільцевого п'єзоелемента, підключеного через цифро-аналоговий перетворювач до третього виходу мікроконтролера. 2 UA 101771 U 3 UA 101771 U Комп’ютерна верстка А. Крижанівський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4