На основе оптоэлектронного генератора , который работает в ВЧ диапазоне частот возможно производить недорогие и надежные датчики физических величин температуры, давления, тока, напряжения, характеристик , связанных с сопротивлением материалов в кораблестроении, самолетостроении и автопромышленности.
Главная новизна и патентная защищенность определяется новым методом индикации физического воздействия. ОЭГ использует более точный частотный принцип индикации физического воздействия.
7.5.6. Реализация на базе ОАГ волоконно-оптичеких датчиков физических величин
Впервые проведены экспериментальные испытания функциональных преобразователей ( ФП )электрического напряжения и тока на основе ОАГ ВОЛЗ. Измерения его основных характеристик показывает целесообразность его использования при измерении электрических напряжениях больших и малых величин в труднодоступных местах с сильными внешними паразитными электромагнитными полями. В экспериментальном макете ФП на базе ОАГ крутизна преобразования «электрические ток - частота и напряжение –частота» составили ,соответственно, 1кГц/В и 3 кГц /А , что позволяло эффективно регистрировать напряжения , токи и электро-магнитные поля в широком диапазоне их значений амплитуд. с большим динамическим диапазоном D д = 103 – 10
В макете ОАГ датчика электрического тока были измерены максимальные отклонения частоты генерации ОАГ . Они составили ∆f = 5,0 ÷ 10,0 кГц при изменении амплитуды переменного электрического тока I с = 750 - 1500 A.
Теоретически и экспериментально доказана возможность преобразования физических воздействий в частоту генерации ОАГ.
Показано, что измерения механического смещения при измерении двух параметров ОАГ СВОЛЗ частоты f и амплитуды генерации сигнала ОАГ повышает точность и надежность измерений механических смещений. Двухпараметрические измерения позволяют провести комплексную компенсацию от помех, вызванных, например, температурой или давлением ,воздействующими на световоды. Минимально регистрируемый уровень (чувствительность) такого ФП “акустический колебания – частота генерации ОАГ ” составил примерно 30 мПа.
Автором настоящей работы произведены экспериментальные исследования датчиков(смещения, температуры электричеких напряжений и токов) на основе ОАГ в ВЧ , а также были произведены работы совместно с ИРЭ АН и НИИКП по созданию стенда на базе ОАГ по изучению влияний температуры световода на его параметры. Экспериментальные стенды измерений и характеристики датчиков приведены ниже. Также в данном разделе приведено описание перспективных датчиков на базе ОАГ с использованием сенсорной «ВБГ- технологии», позволяющей преобразовывать вариации микроперемещения структуры материала в изменения интенсивности света . Данная технология с использованием ОАГ с дифференциальной линией задержки, как преобразователя изменений интенсивности света в радиочастоту автоколебаний, позволяет конструировать эффективные тензодатчики. Сфера применения таких тензодатчиков обширна. Это прежде всего стекло- и фибро- пластиковое авиастороение и кораблестроение, альтернативные источники энергии- турбины ветрогенераторов, мониторинг нефтепроводов и газопроводов, производство пластиковых труб, мостостроение , подземное строительство и др. На многие конструкции датчиков и схемы с ОАГ получены авторские свидетельства и патенты.
Датчик механических нано- и микро-смещений .
ВОД на основе ОАГ ВЧ и СВЧ диапазонов, собранный по схеме волоконного интерферометра, дает возможность измерять структурные вариации поверхности с точностью до 0,1 нм. Принцип измерения относительных изменений геометрических размеров основан на отражении света от тестируемой поверхности. Данная точность достигается использованием в наноскопе четырех длин волн оптического излучения лазерного диода, частотной регистрацией прецизионного сигнала автоколебаний ОАГ и последующей компьютерной обработкой. Зарубежный прототип работает по принципу не частотных, а фазовых измерений СВЧ поднесущей.
Датчики электрического напряжения
Функциональная схема датчика высоковольтного напряжения более 25кВ представлена (Рис.7.27) содержала отдельные контроллеры K1…K3 и частотные индикаторы с кольцевым волоконно-оптическим модулем передачи информации от каждого сенсора высоковольтного импульсного напряжения на каждом из линейных проводов.
а) б) в)
Рис.7.27. Схема включения пьезоэлектрического сенсора в волоконно-оптическую линию задержки. ОР1, ОР2 и ОР3 – оптические разъемы.
а) б)
Рис. 7.28. Изменение частоты генерации при разъюстировке оптического разъема ОРЗ(а). Амплитудная характеристика пьезоэлектрического сенсора при резонансной частоте акустических воздействий 5 кГц (б).
а) б)
Рис. 7.29. Амплитудно-частотная характеристика пьезоэлектрического датчика (а). Зависимости постоянной амплитуды U вых (U вх )на выходе частотного детектора ОАГ с дифференциальной ВОЛЗ от постоянного электрического напряжения Uвх , приложенного к пьезо-пластине сенсора(б).
Рис. 7.30. Общий вид индикатора электрического напряжения с ОАГ и пьезоэлектрическим сенсором.
Представленные на рис. 7.28 - 7.29 экспериментальные характеристики датчика электрического напряжения, показывают его эффективность. На рис.7.30 представлен общий вид экспериментальных узлов датчика.
Магнитнострикционный датчик электрического тока
Были проведены исследования экспериментального образца магнитострикционного датчика (Рис.7.31) переменных электрических токов с амплитудой 100 А…2 кА. При этом в схеме индикатора использовалась схема ОАГ с одиночным волоконным световодом (ВС). Конструкция сенсора, вид которого показан на рис. 6. , представляет тороид с внешним диаметром 10 см, выполненный из магнитно-стрикционного материала (ферромагнетика). На внешнюю сторону тороида специальным образом плотно наматывался волоконный световод (ВС) длиной 100 м и прикреплялся к корпусу тороида эпоксидным клеем. Во внутреннюю полость тороида помещался медный провод, через который протекал переменный электрический ток с амплитудой от 100 А до 2 кА.
а) б)
Рис.7.31. Индукционный мангнитострикционный сенсор переменного электрического тока (а) и общий вид датчика электрического тока с оптическим кабелем(б).
Относительное суммарное продольное растяжение-сжатие оптического волокна в катушке составляет примерно одну стотысячную долю (1,2∙10-5 ) при длине намотки 100 м и амплитуде регистрируемого переменного электрического тока около 1,5 А.
Относительные изменения индикаторной частоты автоколебаний ЛАГ по результатам расчета и экспериментальных данных составляют величины порядка одной стотысячной(1∙10-5 ). Эффект преобразования вариаций тока в частоту индикации при длине намотки 100 м являлся слабым, но при пропускании через проводник токов более 1 кА производилась четкая регистрация изменений индикаторной частоты ОАГ.
