Волоконно-оптичний датчик тиску

Реферат: Волоконно-оптичний датчик тиску 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 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 мембранним чутливим елементом, а торець світловода, пов'язаного з фотоприймачем, розміщений на початку системи координат. Торці дев'яти світловодів, пов'язаних з дев'ятьма світлодіодами, розміщені в системі координат згідно з точками плану ортогонального центрального композиційного планування. UA 98865 U (54) ВОЛОКОННО-ОПТИЧНИЙ ДАТЧИК ТИСКУ UA 98865 U UA 98865 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 містить світлодіод, фотоприймач, мембранний чутливий елемент, передавальний і приймальний світловоди, що пов'язані відповідно зі світлодіодом та фотоприймачем, а загальний торець світловодів оптично зв'язаний з мембранним чутливим елементом (Пат. № (11) 2184945 РФ, G01L11/02, G01L9/00, заявка 2000127133/28 від 31.10.2000 р., опубл. 10.07.2002 p.) Недоліками пристрою є недостатня точність вимірювання тиску, обумовлена впливом вібрацій, температури та інших факторів, неможливість його застосування для випробування мембран, неможливість отримання математичних моделей залежності тиску і прогину мембран від координат розміщення торців світловодів. Найбільшим близьким до запропонованого є волоконно-оптичний датчик тиску, який містить n світлодіодів, фотоприймач, мембранний чутливий елемент, (n+1) світловодів, що пов'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 виходом - до драйвера світлодіодів, який з'єднаний зі світлодіодами, торці світловодів оптично зв'язані з мембранним чутливим елементом і розміщені уздовж горизонтальної та вертикальної осей симетрії мембрани, а торець світловода, пов'язаного з фотоприймачем, розміщений на початку системи координат (Пат. № 92188, Україна, МПК G01L 11/00, G01L 9/00; заявка U201400183; заявл. 13.01.2014; опубл. 11.08.2014, Бюл. № 15). Недоліками пристрою є недостатня точність вимірювання тиску, а також неможливість отримання математичних моделей залежності тиску і прогину мембран від координат розміщення торців світловодів, використання яких дає можливість підвищити точність вимірювання тиску і точність оцінки працездатності мембран в процесі їх випробування. В основу корисної моделі поставлена задача розробити волоконно-оптичний пристрій для вимірювання тиску, що забезпечує можливість з більшою точністю визначати величину тиску і оцінку працездатності мембран шляхом використання отриманих в процесі роботи пристрою математичних моделей. Для вирішення визначеної задачі у волоконно-оптичному датчику 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 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 мембранним чутливим елементом, а торець світловода, пов'язаного з фотоприймачем, розміщений на початку системи координат, у відповідності з корисною моделлю торці дев'яти світловодів, пов'язаних з дев'ятьма світлодіодами, розміщені в системі координат згідно з точками плану ортогонального центрального композиційного планування. Застосування отриманих в процесі роботи пристрою математичних моделей залежності величини тиску і прогину мембран від координат розміщення торців світловодів за рахунок нових зв'язків між світловодами дозволяє підвищити точність вимірювання тиску та оцінки працездатності мембран в процесі їх випробовування. Суть корисної моделі пояснюють креслення. На фіг. 1 зображена конструкція волоконно-оптичного датчика тиску, на фіг. 2 - розміщення торців світловодів перед площиною мембрани, а на фіг. 3 - функціональна схема датчика. Волоконно-оптичний датчик тиску складається із мембранного чутливого елемента 1, який закріплений в корпусі 2. Перед мембраною розташовано дев'ять передавальних світловодів 3 і приймальний світловод 4, на виході якого встановлено фотоприймач 5. На входах передаючих світловодів встановлено дев'ять світлодіодів 6. Торці світловодів оптично зв'язані з мембранним чутливим елементом і розміщені в системі координат XY згідно з точками ортогонального центрального композиційного планування, а торець світловода, пов'язаного з фотоприймачем, розміщено на початку системи координат. Фотоприймач 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 світлодіодів з'єднаний з дев'ятьма світлодіодами, які пов'язані з дев'ятьма світловодами. Волоконно-оптичний датчик тиску працює наступним чином. Мікроконтролер 8 виконує почергове включення світлодіодів 6 шляхом подачі цифрових сигналів драйверу 11 світлодіодів. Драйвер перетворює отриманий сигнал у номер світлодіода, 1 UA 98865 U 5 10 15 20 25 30 35 який необхідно підключити, і подає на нього струм фіксованої величини. Світлодіод, в свою чергу, перетворює цей струм у світловий потік. Передавальні 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 рядках, починаючи з верхнього. Мембрана під дією тиску Р, температури, а також вібрацій змінює свою форму. Відбиті від поверхні мембрани світлові сигнали потрапляють в зону світлоприймального волокна 4, а по ньому - на фотоприймач 5, який перетворює інтенсивність світлового потоку в напругу. Отримані значення напруги в аналогу - цифровому перетворювачі 7 перетворюються в цифровий код. Після того, як мікроконтролер отримає дев'ять значень напруги, він виконує розрахунок поточних значень тиску Рi в кожній з дев'яти точок плану ортогонального центрального композиційного планування (ОЦКП) з використанням алгоритма цифрової обробки сигналів, а також їх корегування за показаннями цифрового датчика температури на величину поправки ΔР. З урахуванням отриманих поточних значень тиску Pi + ΔР за алгоритмом обробки результатів експерименту, отриманих по плану ОЦКП, будується математична модель 2 P  b0  b1x  b 2 y  b12 xy  b11x1  b 22 y 2 , 2 де b 0 , b 1 , b 2 , b12 , b11 , b22 - коефіцієнти математичної моделі, x , y - координати точок мембрани, в якій розраховується тиск. По математичній моделі знаходять величину тиску в різних точках мембрани, а потім розраховують середнє значення тиску Рср, яке передається на цифровий індикатор 10. За рахунок побудови математичної моделі P  Fx, y  та усереднення значень тиску, отриманих по цій моделі, зменшуються похибки від впливу температури, вібрацій та інших факторів. При випробуванні мембрани на її вхід подається еталонне значення тиску, а в мікроконтролері, знайдені за перетвореними відбитими оптичними сигналами прогини мембрани fi, обробляються по алгоритмах плану ОЦКП. За отриманою математичною моделлю у вигляді 2 f  b0  b1x  b 2 y  b12 xy  b11x1  b 22 y 2 2 знаходяться в різних точках систем координат XY прогини f i та порівнюються з еталонними, що зберігаються в пам'яті мікроконтролера. По результатах порівняння видається інформація про працездатність мембрани. Застосування запропонованого волоконно-оптичного датчика забезпечує можливість з більшою точністю визначати величину тиску і оцінку працездатності мембрани шляхом використання отриманих в процесі роботи пристрою математичних моделей. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 40 45 Волоконно-оптичний датчик тиску, що 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 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 мембранним чутливим елементом, а торець світловода, пов'язаного з фотоприймачем, розміщений на початку системи координат, який відрізняється тим, що торці дев'яти світловодів, пов'язаних з дев'ятьма світлодіодами, розміщені в системі координат згідно з точками плану ортогонального центрального композиційного планування. 2 UA 98865 U 3 UA 98865 U Комп’ютерна верстка А. Крулевський 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