Содержание общие вопросы метрологического обеспечения измерительных систем 9 Брюханов В. А. 9

Вид материала

Доклад

Содержание Метрологический анализдифференциальных волоконно-оптическихдатчиков давления аттенюаторного типа Костоусов М.В.

Подобный материал:

• Вопросы по дисциплине «Метрология, стандартизация и сертификация» для подготовки, 69.28kb.
• Организационной основой метрологического обеспечения ОАО «Теплоприбор» является Центр, 31.48kb.
• Совершенствование метрологического обеспечения инклинометрии нефтегазовых скважин 25., 254.4kb.
• Решение IX семинара по вопросам метрологического обеспечения топографо-геодезического, 201.85kb.
• Эталонный комплекс для метрологического обеспечения акустических измерений в твердом, 58.45kb.
• Экзаменационные вопросы по дисциплине «Измерительная техника», 40.7kb.
• Методика приемки из наладки в эксплуатацию измерительных каналов информационно-измерительных, 235.63kb.
• Отдел метрологического обеспечения измерений физико-химических величин, 18.17kb.
• Рабочая программа дисциплины мерительные устройства систем управления, 448.87kb.
• Анализ и синтез измерительных преобразователей с частотным выходным сигналом для информационно-измерительных, 675kb.

Метрологический анализ
дифференциальных волоконно-оптических
датчиков давления аттенюаторного типа

На основании обобщенного подхода к метрологическому анализу волоконно-оптических датчиков (ВОД) можно провести анализ любого типа ВОД [1]. Как показано в [2], дифференциальное управление световым потоком позволяет значительно снизить влияние на точность измерений неинформативных параметров внешней среды и изгибов волоконно-оптического кабеля (ВОК). Достаточно просто реализовать дифференциальную схему преобразования сигналов можно в ВОДД аттенюаторного типа. C учетом вышесказанного проведен метрологический анализ разработанного автором дифференциального ВОДД аттенюаторного типа.

На рис. 1 приведены конструктивная, структурная и функциональная схема такого датчика, включающего два измерительных канала.

Световой поток Ф₀ источника излучения (ИИ) по подводящему оптическому волокну (ПОВ) направляется в сторону шторки с отверстием, закрепленной жестко на мембране (см. рис. 1, а). Мембрана под действием измеряемого давления Р прогибается, шторка при этом смещается относительно приемных торцов отводящих оптических волокон (ООВ) первого и второго измерительных каналов (ИК). Световые потоки Ф₁^’(X) и Ф₂^’(X) на выходе ООВ 1 и ООВ 2 первого и второго ИК при этом изменяются. Причем если сигнал в первом канале увеличивается на какое-то значение, то во втором канале уменьшается на такое же значение. На приемниках излучения (ПИ) оптические сигналы преобразуются в электрические и далее поступают на схему вторичной обработки, например на делитель (см. рис. 1, б).

На функциональной схеме приняты следующие обозначения: S_М – чувствительность мембраны; К_ШТ1, К_ШТ2 – коэффициенты преобразования первого и второго отверстий в шторке соответственно; S_ИИ – чувствительность ИИ; К_ПОВ – коэффициент передачи оптического канала “ИИ – подводящее оптическое волокно”; К_ООВ1, К_ООВ2 – коэффициенты передачи первого и второго оптических каналов “шторка – отводящее оптическое волокно” соответственно; S_ПИ1, S_ПИ2 – чувствительности первого и второго приемников излучения; К_Д – коэффициент преобразования делителя.

Функция преобразования такого датчика будет иметь вид:

Y= Р_ИИS_М К_ПОВ (К_ШТ1К_ООВ1S_ПИ1/К_ШТ2К_ООВ2S_ПИ2) К_Д Р,

где Y – выходная величина, P – измеряемое давление.



Рис. 1. Дифференциальный ВОДД аттенюаторного (шторочного) типа
а – конструктивная схема; б – структурная схема; в – функциональная схема

Метрологическая модель дифференциального ВОДД аттенюаторного типа представлена на рис. 2.

Приняты следующие обозначения:

₁ – погрешность юстировки ИИ относительно ПОВ; ₂, ₃ ₄, ₅ – погрешности из-за неточности начальной установки шторки относительно ПОВ и ООВ; ₆, ₇ – погрешности из-за неточности юстировки ПОВ и ООВ друг относительно друга в зоне измерения; _М1, _М2 – погрешности из-за неточности изготовления мембраны, вносимые в первый и второй измерительный каналы; _ШТ1, _ШТ2 – погрешности из-за неточности изготовления шторки, вносимые в первый и второй измерительный каналы; ₈, ₉ – погрешности юстировки ООВ1 и ООВ2 относительно ПИ1 и ПИ2; ₁₀, ₁₁ – погрешности спектрального согласования ИИ и ПИ1 и ПИ2; _лш1, _лщ2 – погрешности линейности функ-







ций преобразования оптического сигнала на отверстии шторки первого и второго ИК; _лм1, _лм2 – погрешности линейности функций преобразования мембраны первого и второго измерительных каналов; S_м – погрешность чувствительности мембраны, обусловленная изменением ее параметров при изменении температуры окружающей среды, механических воздействий и т.п.; К_ШТ1, К_ШТ2 – погрешности, вносимые в первый и второй измерительный каналы, от прогиба шторки при воздействии на нее поперечных возмущающих сил и изменения длины шторки под действием температуры; К_ПОВ, К_ООВ1, К_ООВ2 – погрешности, обусловленные изменением светопропускания ПОВ и ООВ, при изгибах ВОК, механических воздействий и т.п.; S_ИИ – погрешность, обусловленная изменением мощности и диаграммы излучения ИИ при изменении температуры окружающей среды, напряжения питания и т.п.; S_ПИ1, S_ПИ2 – погрешность от изменения интегральной токовой чувствительности первого и второго ПИ при изменении температуры окружающей cреды, напряжения питания и т.п.; ₁(), ₂() – погрешность спектрального согласования ИИ и ПИ1 и ПИ2 соответственно при изменении температуры окружающей среды; К_Д – погрешность коэффициента преобразования делительного устройства при изменении температуры окружающей среды и напряжения питания.

Номинальные функции преобразования:

– первого измерительного канала

I_Н1=S_МР_ИИК_ШТ1К_ПОВК_ООВ1S_ПИP, (1)

– второго измерительного канала

I_Н2=S_МР_ИИК_ШТ2К_ПОВК_ООВ2S_ПИP, (2)

В соответствии с метрологической моделью датчика реальные функции преобразования будут иметь вид:

– первого измерительного канала:

I_Р1=S_М(1+S_М)S_ИИ(1+S_ИИ)[(₁+К_ПОВ)(1+К_ПОВ)]

[(_ЛМ1+₂+_М1+К_ШТ1)(1+К_ШТ1)][(₄+₆+_ЛШ1+_ШТ1+К_ООВ1)

(1+К_ООВ1)][(1+₁()][(₈+₁₀+S_ПИ1)(1+S_ПИ1)]P, (3)

– второго измерительного канала:

I_Р2=S_М(1+S_М)S_ИИ(1+S_ИИ)[(₁+К_ПОВ)(1+К_ПОВ)]

[(_ЛМ2+₃+_М2+К_ШТ2)(1+К_ШТ2)][(₅+₇+_ЛШ2+_ШТ2+К_ООВ2)

(1+К_ООВ2)][(1+₂()][(₉+₁₁+S_ПИ2)(1+S_ПИ2)]P. (4)

Погрешность преобразования каждого из каналов определится следующим образом:

I₁ = I_Р1 – I_Н1, I₂ = I_Р2 – I_Н2,

или с учетом выражений (1) – (4):

I₁ = К_ПОВ₁+К_ШТ1(_ЛМ1+₂+_М1)+К_ООВ1(₄+₆+_ЛШ1+_ШТ1)+

+S_ПИ1(₈+₁₀)+(S_ИИ)S_ИИ+(К_ПОВ)К_ПОВ+[₁()]₁()+

+[S_М+К_ШТ1+К_ООВ1 +S_ПИ1]P,

I₂ = К_ПОВ₁+К_ШТ2(_ЛМ2+₃+_М3)+К_ООВ2(₅+₇+_ЛШ2+_ШТ2)+

+S_ПИ2(₉+₁₂)+(S_ИИ)S_ИИ+(К_ПОВ)К_ПОВ+[₂()]₂()+

+[S_М+К_ШТ2+К_ООВ2 +S_ПИ2]P.

Мультипликативная составляющая погрешности равна:

– первого измерительного канала

,

– второго измерительного канала

,

аддитивная составляющая погрешности:

– первого измерительного канала

J₁ = К_ПОВ₁ + К_ШТ1(_ЛМ1 + ₂ + _М1) +

+К_ООВ1(₄ + ₆ + _ЛШ1 + _ШТ1) + S_ПИ1(₈ + ₁₀),

– второго измерительного канала

J₁ = К_ПОВ₁ + К_ШТ2(_ЛМ2 + ₃ + _М3) +

+К_ООВ2(₅ + ₇ + _ЛШ2 + _ШТ2) + S_ПИ2(₉ + ₁₂),

нелинейная составляющая:

– первого измерительного канала

J_Л1 = К_ШТ1(_ЛМ1+_М1) + К_ООВ1_ЛШ1,

– второго измерительного канала

J_Л2 = К_ШТ2(_ЛМ2+_М2) + К_ООВ2_ЛШ2.

Аддитивная и нелинейная составляющие погрешности не влияют на результат измерений, если в нормативно-техническую документацию вносится градуировочная характеристика датчика, смещенная вдоль оси ординат относительно номинальной функции преобразования на аддитивную погрешность. Если в документацию внесена номинальная функция преобразования в виде аналитической зависимости, то необходимо учитывать данные погрешности, например при обработке результатов измерений, с целью их исключения.

Причины возникновения погрешности ₁ подробно рассмотрены в работе [3]. Самую большую погрешность (до 10 %) могут внести радиальные рассогласования ИИ и ПОВ. Продольные и угловые рассогласования вносят незначительную погрешность (не более 1 %), если не превышают 10 % от диаметра жгута.

Погрешность ₅ практически равна нулю, так как площадь торца жгута ООВ значительно меньше площади приемной светочувствительной площадки ПИ.

Погрешности ₁ – ₅ могут быть существенно снижены в процессе сборки датчиков точной юстировкой элементов конструкции.

Погрешности ₆ и ₇ из-за неточности юстировки ПОВ и ООВ друг относительно друга в зоне измерения несущественны, если ООВ1 и ООВ2 смещены относительно ПОВ в противоположные стороны, в противном случае они могут достигнуть 10 %.

Погрешности ₈, ₉ юстировки ООВ первого и второго ИК относительно ПИ первого и второго ИК соответственно практически равны нулю, так как площадь торца жгута ООВ значительно меньше площади приемной светочувствительной площадки ПИ.

Погрешности ₁₀ и ₁₁ спектрального согласования ИИ и ПИ несущественны, если правильно подобраны пары “источник излучения – приемник излучения (первого и второго измерительных каналов соответственно)”, если диапазон длины волны излучения ИИ соответствует диапазону спектральной чувствительности ПИ. Например, анализ спектральных характеристик инфракрасного светодиода 3Л107Б и фотодиодов КФДМ, ФД-19КК, ФД-32К, показал, что спектральная характеристика интегральной чувствительности фотодиода ФД-32К не соответствует спектральной характеристике светодиода 3Л107Б, то есть коэффициент спектрального согласования () практически равен нулю. Спектральный диапазон фотодиода ФД-19КК частично совпадает со спектром светодиода 3Л107Б, и коэффициент спектрального согласования составляет ()0,5. Лучшей парой светодиоду 3Л107Б по коэффициенту спектрального согласования можно считать фотодиод КФДМ, спектральный диапазон чувствительности которого полностью перекрывает диапазон излучения светодиода 3Л107Б. В этом случае ()1.

Мультипликативная погрешность () спектрального согласования источника и приемников излучения при изменении температуры окружающей среды в диапазоне  50 С может достигать 25–30 % (например, для пары светодиод 3Л107Б – фотодиод ФД-19КК). Но она может быть существенно снижена, если использовать двухплощадочные фотодиоды, каждая из светочувствительных площадок которых включена в один из измерительных каналов дифференциальной схемы, к которой подведены ООВ соответствующих измерительных каналов.

Погрешности из-за неточности изготовления шторки _ШТ1 и _ШТ2 сравнимы с вышеперечисленными погрешностями по значимости. Уменьшить данные погрешности можно конструктивным путем, применяя совершенную технологию изготовления (например, травление каналов для крепления ОВ относительно друг друга и шторки в единой несущей детали), а при изготовлении шторки, прибегнув к дорогим технологическим приспособлениям, обеспечивающим точное формирование отверстий в шторке. В то же время данные погрешности можно существенно снизить в процессе настройки датчика юстировкой ПОВ относительно отверстий в шторке и ООВ. Пожалуй, самым сложным в процессе сборки ВОП будет точная юстировка ОВ относительно отверстий в шторке, так как сама шторка тем или иным образом должна быть закреплена на мембране, к габаритно-посадочным размерам которой, в свою очередь, предъявляются достаточно жесткие требования. С этой точки зрения целесообразно формировать мембрану и шторку как единое целое путем травления, например, используя кремниевые заготовки.

Тем же способом могут быть существенно снижены погрешности из-за неточности изготовления мембраны _М1 и _М2. Кроме того, данные погрешности могут быть исключены в процессе настройки путем точной юстировки ОВ относительно шторки.

Погрешность чувствительности мембраны Sм, обусловленная изменением ее параметров при изменении температуры окружающей среды, воздействии ударов, вибраций, линейных ускорений и т.п., в первую очередь, обусловлена тем, что увеличивается неинформативный прогиб мембраны и, соответственно, происходит смещение отверстий шторки относительно ОВ в направлении Z. Чтобы снизить влияние данной причины на результат измерения предпочтительной следует считать шторку, когда ООВ расположены на одной оси Y относительно ПОВ, тогда дифференциальное исполнение ВОП приведет к равнопропорциональным изменениям оптического сигнала в двух каналах. Такое расположении ООВ также позволяет снизить погрешности К_ШТ1, К_ШТ2, которые проявляются при воздействии на шторку поперечных механических воздействий, при этом последняя испытывает прогиб, и, соответственно, изменяются расстояния от шторки до ПОВ и ООВ.

Мультипликативные погрешности К_ПОВ, К_ООВ1, К_ООВ2, обусловленные изменением светопропускания ПОВ и ООВ при неинформативных изгибах ВОК, воздействии ударов, вибрации, линейного ускорения и т.д. в дифференциальной схеме практически исключены, если все волокна расположены в одном жгуте и испытывают одинаковые внешние воздействия: климатические и механические. Здесь необходимо сделать оговорку, что вышесказанное справедливо, если изгибы волокна незначительны (не менее 10-и диаметров волокна). Большие изгибы ВОК вызывают существенное снижение интенсивности светового потока, поступающего в зону измерений, сравнимому с минимальным уровнем информативного сигнала. Поэтому при изготовлении и эксплуатации ВОД необходимо принять все возможные конструктивно-технологические меры для исключения неинформативных изгибов ВОК [3].

Мультипликативные погрешности S_ИИ, S_ПИ1, S_ПИ2 при изменении параметров окружающей среды могут достигать 30, а в отдельных случаях 50 % от результата измерений, если не принять соответствующих мер. Но так как они носят систематический характер, поэтому могут быть исключены тем или иным способом. В литературе [например, 1-3] достаточно подробно освещены вопросы снижения этих погрешностей с помощью различных схемотехнических решений: дифференциальное исполнение измерительной схемы датчика, введение дополнительных схем коррекции и т.п. Погрешности ₁ и S_ИИ в дифференциальной схеме, если используется одно ПОВ, практически равны нулю, так как на выходе ПОВ диаграмма излучения симметричная круговая, а изменение интенсивности светового потока ведет к пропорциональному изменению сигналов первого и второго измерительных каналов. Если используются фотодиоды дифференциального типа, когда к одной светочувствительной площадке подведено первое ООВ, а ко второй – второе ООВ, то погрешности S_ПИ1, S_ПИ2 также несущественны.

Погрешности преобразований каждого из каналов без учета погрешностей, которыми можно пренебречь, будут определяться следующими выражениями:

I₁ = К_ШТ1(_ЛМ1+₂+_М1)+К_ООВ1(₄+₆+_ЛШ1+_ШТ1)+S_МP,

I₂ = К_ШТ2(_ЛМ2+₃+_М3)+К_ООВ2(₅+₇+_ЛШ2+_ШТ2)+S_МP,

а реальная функция преобразования запишется

Y_Р = S_М(1+S_М) S_ИИК_ПОВК_Д(1+К_Д)U_ПР(К_ШТ1+_ЛМ1+₂+_М1)S_ПИ1

 (К_ООВ1+ +₄+₆+_ЛШ1+_ШТ1)/(К_ШТ2+_ЛМ2+₃+_М3) S_ПИ2

 (К_ООВ2+₅+₇+_ЛШ2+_ШТ2).

Очевидно, что в дифференциальной схеме _ЛМ1 _ЛМ2, ₂ ₃,
_М1_М2, ₄ ₅, ₆ ₇, _ЛШ1  _ЛШ2, тогда

Y_Р = S_М(1+S_М)S_ИИК_ПОВ

К_ШТ1S_ПИ1(К_ООВ1+_ШТ1)/К_ШТ2S_ПИ2(К_ООВ2+_ШТ2)К_ВУ(1+К_ВУ)U_ПР. (5)

По литературным источникам погрешность К_ВУ составляет 0,25% [3].

Погрешность S_М может быть снижена, если использовать для изготовления мембраны высокостабильные металлы с малым коэффициентом температурного расширения, например сплав 36НХТЮ.

Таким образом, остаются неисключенными погрешности _ШТ1, _ШТ2, обусловленные неточностью изготовления шторки, которые, как говорилось выше, можно снизить конструктивно-технологическим путем, что ведет к некоторому удорожанию подобного датчика.

Таким образом, метрологический анализ дифференциальных ВОДД аттенюаторного типа показал, что дифференциальная схема позволяет существенно снизить большинство погрешностей таких ВОДД.

Литература

1. Пивкин А.Г. Обобщенный подход к метрологическому анализу волоконно-оптических датчиков / Е.А. Бадеева, А.В. Гориш, А.Г. Пивкин // Информационно-измерительная техника, экология и мониторинг: Науч. тр. – Вып. 6 (2003). – М.: МГУЛ, 2003. – С. 255-257.

2. Пивкин А.Г. Математическая модель волоконно-оптического преобразователя аттенюаторного типа // Информационно-измеритель-ная техника, экология и мониторинг: Науч. тр. – Вып. 6 (2003). – М.: МГУЛ, 2003. – С. 268-274.

3. Мурашкина Т.И., Волчихин В.И. Амплитудные волоконно-опти-ческие датчики автономных систем управления: Монография. – Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 1999. – 173 с.

Автор

Пивкин Александр Григорьевич – генеральный директор ОАО “НИИ Вычислительной техники”, ООО “НИИВТ-РУСИЧИ-ФАРМА”, к.т.н.

Россия, 440026, Пенза, ул. Лермонтова, 3.

Тел. (841-2) 55-20-47, факс (841-2) 55-19-03.

Костоусов М.В.