Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2006 №10

Оптоэлектронный дистанционный измеритель давления на основе многослойных оптических структур

Овчинников Александр  
Макарецкий Евгений  

Предложенный авторами оптоэлектронный дистанционный измеритель давления с первичным преобразователем на основе многослойных оптических структур обладает высокой чувствительностью и позволяет осуществлять дистанционные измерения.

Введение

Измерение давления является важной задачей во многих отраслях науки и техники.

Большинство потоков носит турбулентный характер. При этом давление постоянно изменяется. Поэтому актуальной является задача измерения не только среднего во времени, но и мгновенного значения давления.

Применяемые методы измерения давления должны соответствовать сложному характеру исследуемого объекта, а измерительные преобразователи — удовлетворять жестким требованиям — обладать высокой чувствительностью при необходимом пространственном разрешении. Этим условиям соответствуют оптические методы измерения на основе волоконно-оптических устройств.

Основной элемент таких устройств — оптический волновод, который является не только линией передачи, но и чувствительным к изменению давления элементом. Существует большое количество устройств на основе световодов [1, 2], в которых используются различные физические явления. Об измеряемой величине (давлении) в таких устройствах обычно судят по изменению мощности (амплитуды) и поляризации проходящего через чувствительный элемент света.

При наличии положительных качеств (достаточно большая чувствительность, высокая помехозащищенность и т. д.) данные устройства имеют и один существенный недостаток: они не позволяют производить дистанционные измерения, когда первичный преобразователь физически не связан с остальными элементами измерительной системы.

Избавиться от этого недостатка позволяет разработка первичных преобразователей для измерения давления, использующих особенности интерференционных явлений в многослойных оптических структурах (МОС) при больших углах падения.

Многослойные оптические структуры, представляющие собой в общем виде систему чередующихся прозрачных оптических сред с различными параметрами (в первую очередь — показателем преломления), при определенных углах падения когерентного света обладают ярко выраженными свойствами резонансной угловой фильтрации [3]. Типичная угловая характеристика пропускания резонансных многослойных оптических структур (РМОС) изображена на рис. 1.

Рис. 1. Расчетная характеристика зависимости оптического пропускания РМОС от угла падения излучения в режиме угловой фильтрации

Угловая чувствительность данных устройств может достигать 10–3…10–4 угловой секунды [4].

Создание первичных преобразователей давления на основе многослойных оптических структур сопряжено с необходимостью обеспечения условий для изменения коэффициента пропускания (или отражения) структуры в зависимости от воздействующего на преобразователь давления.

Принципы построения преобразователей давления на основе многорезонансных оптических структур

Измерительные преобразователи давления воздуха (или других газов) и акустических колебаний могут быть созданы на основе двух различных принципов:

  1. Изменение показателя преломления одного или нескольких слоев; в этом случае некоторые из слоев имеют воздушное (или газовое) заполнение и сообщаются с измеряемой средой; изменения давления приводят к изменениям показателя преломления слоя.
  2. Изменение толщины одного или нескольких слоев; такая РМОС имеет мембранную структуру, и изменение давления приводит к равномерному или неравномерному законам распределения толщины резонансного слоя по апертуре.

Первый метод применим только для измерения давления, а вторым можно измерить как давление, так и акустические колебания. Независимо от конкретного метода, изменение параметров РМОС приводит к изменению оптического пропускания структуры и, соответственно, выходного сигнала фотоприемника.

Анализ свойств РМОС позволяет предложить несколько вариантов конструкции измерительных преобразователей давления воздуха и акустических колебаний (рис. 2).

Рис. 2. Варианты конструкции измерительных преобразователей давления и акустических колебаний

Измерительный преобразователь (рис. 2а) представляет собой проходную или отражательную РМОС с постоянной толщиной резонансного зазора, в котором находится газ. Основным достоинством такого преобразователя является отсутствие подвижных частей конструкции.

Дифференциальный преобразователь (рис. 2б) содержит две камеры, представляющие собой слои с полным внутренним отражением (ПВО), в которых присутствуют газ с давлением Р2 (слой 2) и Р4 (слой 4). Разделительная мембрана 3 выполнена из оптически прозрачного материала и служит резонансным слоем. Изменение давлений Р2, Р4 приводит к изменению толщины слоев с ПВО и, соответственно, пропускания (волна А2) и отражения (волна В1) структуры.

Преобразователь (рис. 1в) представляет собой РМОС с изменяющейся толщиной резонансного слоя d2. Подобный датчик способен измерять как давление газов, так и любое механическое давление, приложенное к датчику и приводящее к смещению призмы 3. Информация о давлении (изменении толщины зазора) может быть получена как по отраженной, так и по проходящей волнам.

Мембранный преобразователь (рис. 2г) представляет собой отражательную РМОС с изменяющейся толщиной резонансного слоя. По сравнению с предыдущей конструкцией (рис. 2в) она имеет существенно меньшую массу подвижной части, что позволяет использовать ее для измерения акустических колебаний. Мембрана 3 должна иметь поверхность с высоким коэффициентом отражения и обладать достаточно высокой плоскостностью.

Конструкция, представленная на рис. 2д, является модификацией предыдущего варианта преобразователя. Основное ее отличиев расположении подвижной мембраны 3 на пьезопреобразователях 4, которые позволяют изменять толщину резонансного слоя d2. Благодаря такой конструкции можно регулировать диапазон (и чувствительность) преобразователя, а также использовать компенсационный метод измерения.

Преобразователь с неравномерным прогибом мембраны (рис. 2е) характеризуется возможностью формирования близкого к линейному закона изменения оптического пропускания в зависимости от приложенного давления.

Новые функциональные возможности обеспечивает дополнение конструкций, представленных на рис. 3, элементами для возврата выходного излучения в направлении на передатчик. Использование отражательных датчиков позволяет выполнить более компактными блоки генерации и обработки, а также обеспечить дистанционность измерений. Кроме того, в этом случае возможен двойной проход оптического излучения через РМОС, что повышает чувствительность измерительного преобразователя (рис. 3).

Рис. 3. Схемы отражательных датчиков на основе проходной (а) и режекторной (б) РМОС (1, 3 — входная и выходная призмы соответственно; 2 — резонансный зазор; 4 — мембрана; 5 — триппель-призма)

Математические модели первичных преобразователей давления

Определим математические модели датчиков на основе перечисленных базовых элементов. Основной эффект воздействия давления на датчики — изменение показателя преломления или толщины резонансного слоя, приводящее к изменению оптического пропускания (отражения) структуры.

Если не учитывать оптические потери в структуре, коэффициенты прохождения T и отражения |Г|² регулярной структуры в области каждого одного резонанса описываются выражениями [4]:

где: y = εN — обобщенная расстройка РМОС от резонансного состояния; ε = (?rΣ/?c)Δc — абсолютная фазовая расстройка; с — модулируемый параметр; N — усиление резонансного слоя, rΣ — суммарный фазовый набег в резонансном слое на длине одного зигзага парциальной волны.

Усиление резонансного слоя N для РМОС определяется выражением:

где |Г21|, |Г23| — модули коэффициентов отражения от границ раздела сред 2-1 и 2-3 соответственно. Для симметричных структур данные коэффициенты равны.

Коэффициент отражения электромагнитной волны от границы раздела сред 2-1 определяется выражением [4]:

где Kzi = — поперечное (относительно границы раздела) волновое число в i-й среде, Kx — продольное волновое число, Ko = 2π/λo — волновое число, λo — длина волны, ni — показатель преломления i-й среды.

Суммарный фазовый набег в слое определяется выражением

При этом фазовые сдвиги при отражении от границ раздела 2-1 и 2-3 (r21 и r23 соответственно) равны нулю или ? в зависимости от поляризации излучения [4].

Датчики давления на основе регулярных РМОС с изменяемым показателем преломления

При изменении показателя преломления резонансного слоя фазовая расстройка в этом случае равна

где Δn2 — изменение показателя преломления, вызываемое изменением давления среды.

На основе РМОС с изменяемым показателем преломления возможно создание проходных и отражательных датчиков.

Для отражательных структур выражение для обобщенной расстройки проходной РМОС при изменении показателя преломления резонансного слоя принимает вид:

где m = 1, 2, 3… — номер резонанса.

Как видно из выражений (5) и (6), при изменении показателя преломления резонансного слоя расстройка (и, соответственно, чувствительность) быстро возрастают с увеличением толщины резонансного слоя.

Датчики давления на основе режекторной РМОС с изменяющейся толщиной резонансного слоя

Коэффициент отражения от структуры |Г|² определяется соотношением (1). Однако параметр фазовой расстройки ? в этом случае описывается выражением:

и выражение для обобщенной расстройки РМОС принимает вид:

Оценка чувствительности оптоэлектронных датчиков

Анализ процессов в оптоэлектронных датчиках давления показывает, что они по принципу действия могут быть отнесены к оптическим системам пеленгации по методу сканирования диаграммы направленности.

Точность отсчета угла в этом случае, определяющая общую предельную погрешность системы измерения, может быть рассчитана по формуле [5]:

где σα² — дисперсия оценки отсчета угла; μ — соотношение «сигнал–шум» на входе приемника; ΨT (α)— корреляционная функция диаграммы направленности T(α), которая рассчитывается по соотношению:

где с — нормирующий множитель для обеспечения ΨT (0) = 1.

При аппроксимации угловой характеристики РМОС функцией Гаусса [4]:

где Q — угловая добротность РМОС, равная Q = KxL0; L0 — постоянная длины РМОС, зависящая от толщины резонансного зазора d2 и других параметров [3], корреляционная функция диаграммы направленности принимает вид:

и дисперсия погрешности отсчета угла составляет

Оценка показывает, что предельное разрешение по углу датчиков (при отношении «сигнал–шум» на входе, равном μ = 103) составляет σd² = 2,86×10–15 рад², а среднеквадратическая погрешность оценки угла — σα= 5,3×10–8 рад, то есть приблизительно 10–2 угловой секунды.

Относительная дисперсия оценки смещения подвижной диафрагмы датчика σd² с учетом соотношения (8) соответственно равна

Последнее соотношение справедливо для случая установившихся пространственных переходных процессов в РМОС, то есть при выполнении условия a/L0>>1, где a — диаметр пучка на входе.

Анализ показывает, что при апертуре датчика а = 50 мм и толщине резонансного зазора d2 = 10 мкм, погрешность оценки смещения мембраны составляет менее 10–7 мкм, что позволяет достигнуть чувствительности предложенных оптоэлектронных датчиков на несколько порядков выше, чем для электродинамических преобразователей, и в 10–50 раз выше, чем для волоконно-оптических датчиков с преобразователем типа интерферометра Фабри-Перо [1].

Результаты экспериментального исследования первичных преобразователей давления

Экспериментально исследовались мембранные преобразователи отражательного типа (рис. 2г, д) с воздушным заполнением зазора между призмой с показателем преломления n1 = 1,51 и подвижной мембраной, выполненной из металлизированной полимерной пленки толщиной d = 0,03 мм. Толщина резонансного зазора составляла d2 = 10 мкм. Экспериментальные конструкции показали высокие параметры по чувствительности и возможность работы на удалении от источника излучения до нескольких метров.

По результатам измерений средняя чувствительность датчика, определяемая изменением коэффициента отражения датчика по мощности на 100% при изменении воздействующего на датчик давления, составляет N = 0,85–0,95Па–1.

Для повышения чувствительности датчика необходимо уменьшать толщину мембраны или изготовлять ее с гофром, обеспечивающим свободные колебания, либо с иными конструктивными особенностями мембраны и применяемых для ее изготовления материалов.

Заключение

Предложенные принципы работы оптических датчиков давления на основе многослойных резонансных углоизбирательных структур обладают высокой чувствительностью и возможностью осуществления дистанционных измерений. В то же время, характеристика преобразования датчиков нелинейна, их характеристики существенно зависят от температуры, что повышает погрешность измерения и усложняет их применение. Для устранения этих недостатков в настоящее время авторами разрабатываются «интеллектуальные» цифровые датчики, включающие микроконтроллерную систему преобразования измерительных сигналов.

Литература

  1. Граттан К. Т. В. Волоконно-оптические датчики и измерительные системы // Датчики и системы. 2001. № 3.
  2. Гришачев В. В., Брюховецкий О. С., Мандель А. М., Родионов В. Н. Волоконно-оптический датчик акустических волн с голографическим преобразователем // Датчики и системы. 2002. № 11.
  3. Соколовский И. И., Покровский Ю. А. Прикладная радиооптика. Теория и методы резонансной угловой фильтрации. Киев: Наукова думка. 1986.
  4. Васин С. А., Покровский Ю. А., Макарецкий Е. А. Методы аналитического синтеза информационно-измерительных и информационно-управляющих устройств и систем с двусторонней памятью. Тула: ТулГУ. 1999.
  5. Фалькович С. Е. Оценка параметров сигнала. М.: Советское радио. 1970.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке