Главная | Обратная связь

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

 

Одними из универсальных элементов, способных осуществлять преобразование различных физических величин, являются оптоэлектронные преобразователи, в которых измеряемая величина воздействует на оптический канал, изменяя параметр излучаемого потока при его распространении от источника к приемнику (рис. 9) . Наиболее просты по конструкции оптоэлектронные преобразователи, где под воздействием физической величины изменяется интенсивность потока некогерентного излучения.

Оптический канал (рис. 10) может быть выполнен в виде двух световодов (единичных оптических волокон или жгутов волокон) и промежутка между ними. Поток излучения от источника вводится в передающий световод 1. На выходе передающего световода в зоне измерений формируется поток излучения, заключенный в конусе апертуры световода. Часть потока излучения падает на вход световода 2, выводится из зоны измерений к фотоприемнику и преобразуется в пропорциональный электрический сигнал. Физическую основу работы таких оптоэлектронных преобразователей составляет изменение (под действием измеряемого параметра) интенсивности излучения, проходящего с выхода передающего световода на вход приемного световода в соответствии с диаграммой направленности, светопропусканием световодов и способами модуляции.

Волоконно-оптические преобразователи наряду с достоинствами оптронов с открытым каналом имеют такие преимущества, как слабая зависимость результатов измерений от температуры, электромагнитных полей большой интенсивности и вибраций в зоне измерений, стойкость к агрессивным средам и химическая инертность, высокая локальность измерений, возможность получения заданных конструктивных и метрологических характеристик за счет конструкции

	Источник излучения		Оптический канал		Приемник излучения

I_и.и I_ф.п.

_.

х₁…х_n

Рисунок 9. Схема канала преобразования информации оптических преобразователей

волоконно-оптических каналов при использовании серийно выпускаемой элементной базы (источников излучения, фотоприемников, оптических волокон).

Для ВОП характерны два основных способа получения измерительной информации. Первый способ отражает работу ВОП рефлектоме-трического типа, для которых наиболее характерно отсутствие контакта с объектом измерений или вспомогательным измерительным звеном. Здесь, поток излучения с выхода передающего световода направляется на отражающую поверхность объекта и часть отраженного потока, зависящая от положения поверхности объекта, ее формы и отражающих свойств, воспринимается входным торцом приемного световода.

Рассмотрим зависимость выходного сигнала ВОП на примере преобразования светового потока, отражающегося (без потерь и рассеяния) от движущейся плоской поверхности. Поверхность перемещается относительно торцов приемного и передающего световодов, лежащих в одной плоскости (рис. 11, а). Если торец световода контактирует с отражающей поверхностью, то поток к фотоприемнику практически не проходит. При увеличении расстояния поток излучения, заключенный в конусе апертуры световода, падает на все большую площадь на объекте измерений и по сути эта площадь становится "источником" вторичного потока, который возвращается к приемному световоду.

В соответствии с диаграммой излучения световода лучи, выходящие под наибольшим углом к торцу передающего световода, переносят меньшую часть излучаемого потока и при небольших расстояниях до поверхности воспринимаемая часть отраженного потока растет медленно. С увеличением площади отраженного "пятна" и входом в торец лучей с большей энергией наблюдается резкий рост принимаемого потока. При определенном соотношении размеров торцов крутизна изменения потока растет до тех пор, пока границы отраженного "пятна" не выходят за пределы торца приемного световода. Когда рост принимаемого потока из-за увеличения интенсивности элементарных потоков, попадающих в приемный световод, частично компенсируется потерями зависимость между расстоянием до поверхности и потоком, попадающим в приемный световод, остается существенно линейной. При увеличении расстояния потери преобладают, рост зависимости замедляется и вблизи некоторого расстояния поток, проходящий к фотоприемнику, остается практически постоянным.

Рисунок 10. Схема ВОП с внешней модуляцией

 

В дальнейшем преобладают потери за счет выхода отраженного потока за пределы торца приемного световода и поток, приходящий к фотоприемнику, убывает. Таким образом, функция преобразования такого ВОП имеет квазилинейный участок наибольшей крутизны с центром zq, участок максимума вблизи z_m и падающий участок при z > z_m. При начальной установке световода в z₀ изменение потока на фотоприемнике практически линейно связано с изменением расстояния до отражающей поверхности. Вблизи максимума выходной сигнал ВОП практически не зависит от расстояния до отражающей поверхности и будет определяться мощностью источника излучения, потерями в световодах и отражающими свойствами поверхности.

Второй способ характерен для ВОП проходящего типа, где поток излучения, выходящий с торца передающего световода, направляется на торец приемного световода. В ряде случаев конструкция ВОП проходящего типа содержит дополнительное механическое звено, обеспечивающее преобразование физической величины в перемещение одного из каналов.

Формирование отклика ВОП проходящего типа можно показать на примере с ортогональным перемещением торцов световодов. Если торцы параллельны и

 

оси совпадают, то поток, передаваемый к фотоприемнику, максимален. При ортогональном перемещении торцов начинается выход лучей, переносящих большую часть общего потока излучения за пределы торца приемного световода. Однако эти потери частично компенсируются потоком, создаваемым лучами, переносящими меньшие элементарные потоки. Дальнейшее смещение приводит к тому, что уменьшается принимаемый поток. При еще больших смещениях это изменение становится более плавным. Из рисунка видно, что преобразование перемещений целесообразно вблизи точек перегиба (z₀,y₀)на участках наибольшей крутизны и линейности.

а) б)

Рисунок 11. Формирование функции преобразования рефлектометрических ВОП аксиальных перемещений (а) и ВОП проходящего типа при измерении ортогональных перемещений (б)

 

Математическую основу ВОП составляет модель функции преобразования, которая по аналогии с моделью оптрона может быть представлена зависимостью тока фотоприемника от множества параметров внешних факторов I_фп(х₁…х_n)= Р_ис* η(λ)* A(x₁ . . . х_n)* К_фп (16) где, Р_ис- поток, испускаемый источником; η(λ) - коэффициент спектрального согласования элементов ВОП; A(x₁ . . . х_n) - функция передачи оптического тракта; К_фп — интегральная чувствительность фотоприемника.

Очевидно, что максимальное теоретическое значение тока фотоприемника с бесконечно-линейной световой характеристикой

I_фп^max =Р_ис* η(λ)* К_фп = const. (17)

В этом случае функция преобразования может оцениваться по поведению функции передачи оптического тракта A (x₁ . . .х_n), которую при

I_фп^max =1 можно назвать условной функций преобразования ВОП.

В свою очередь a(x₁ ... х_n) =К_ис*К_сп*К_со (18)

где К_ис— коэффициент передачи тракта "источник излучения — передающий световод"; К_сп - коэффициент передачи тракта "приемный световод- приемник излучения"; k_co(x₁ . . . х_n)- функция коэффициента передачи тракта "передающий торец световода - объект контроля –приемный торец световода”.

Как следует из (18), функция преобразования ВОП однозначно связана с коэффициентом k_cо(x₁ . . . х_п),определяемым отношением потока излучения, попадающего в приемный световод, к потоку излучения, выходящему из передающего световода.

Из (16) —(18) видно, что коэффициент преобразования ВОП

пропорционален мощности источника излучения и, следовательно, возможна коррекция величины К(x_i) ,в частности, для компенсации влияния неинформативных факторов.

К(x_i)=ΔI_фп(x₁…x_n)/ Δ x_i (19)

Общий вид функции a(x₁ ... х_n) может быть получен на основе геометрической оптики.

Пусть световоды приемного и передающего каналов представляют собой цилиндрические светопроводящие волокна. От источника излучения на входной торец передающего волокна под углом ω падает элементарный поток.

dP₁=J₀*f(φ) dω (20)

где J₀— сила излучения источника в направлении φ=0; f(φ) — диаграмма направленности; dω — элементарный телесный угол.

Для волокон цилиндрической формы поток будет равномерно распределен по его выходному торцу. Элементарная площадка торца волокна будет в направлении φизлучать поток

dP₂=J₀(r dr dθ/π*R²)*f(φ)*τ(φ) dω (21)

где r , θ — текущие полярные координаты центра площадки; R — радиус волокна; τ(φ) — светопропускание волокна.

Если этот поток попадает под углом ω на входной торец приемного световода, то функция dA (x₁ ... х_п)определится из выражения:

dA = f(φ)*τ(φ) * τ(φ˚) * dω(x₁…x_n) (22)

Отклик фотоприемника

dA (x₁ ... х_п)=

(23)

Область интегрирования является сложной функцией пространственных координат границ передающего и приемного световодов, а также функцией параметров, определяющих геометрию и пространственное расположение объекта измерений для ВОП рефлектометрического типа. Функция ω(x₁…x_n,φ,β,R,θ) определяет связь между вводимым в зону измерений и выводимым из нее потоками через пространственные координаты, одна из которых связана с преобразуемым параметром..

В ряде случаев (x₁ . . .х_n)являются промежуточными параметрами, однозначно связанными с измеряемой величиной. Например, если поток излучения отражается от диафрагмы, то под действием измеряемого давления (первичный параметр) происходит одновременное линейное и угловое перемещение элемента поверхности диафрагмы (промежуточные параметры), преобразуемое в изменение потока на фотоприемнике.

В общем случае угол φ˚, входящий параметром в светопропускание приемного световода, характеризует изменение направления потока dP₁и является функцией положения и формы отражающей поверхности и угла между нормалями к торцам световодов. Максимальное значение функции φ˚( x₁…x_n,φ,β,R,θ) не должно превышать номинальной: апертурного угла φ_m приемного световода. Значение φ˚равно φ_m лишь тогда, когда нормали к торцам световодов и отражающей поверхности для любых φ остаются параллельными в процессе измерений. Назовем совокупность функций ω, φ˚ геометрическими функциями связи.

Если передающий световод представляет собой жгут оптических волокон, то условная функция преобразования может быть получена суммированием вкладов отдельных волокон:

(24)

Таким образом, для математического моделирования ВОП необходимо определить зависимости ω (х₁ ... х_п),φ˚ (x₁ ... х_n),соответствующие конкретным способам получения измерительной информации и конструкции оптических каналов, и вычислить интеграл или сумму в соответствии с (23) и (24).

Опыт показывает, что для передающих каналов ВОП рефлектометрического типа, выполненных в виде жгутов, торцы волокон можно считать точечными источниками излучения, так как величина начального рабочего расстояния z₀ удовлетворяет условию z₀ < d (d — диаметр волокна).

Тогда (1.7) значительно упрощается:

Функции преобразования, полученные расчетным путем или экспериментально, позволяют определить следующие основные характеристики ВОП : необходимое расположение приемного и передающего каналов, коэффициент преобразования ВОП, положение особых точек и соответствующее этим точкам значение выходного сигнала (например, положение максимума функции преобразования), верхнюю границу диапазона преобразуемых значений физической величины, порог чувствительности ВОП.

Для динамических измерений существенным параметром является также постоянная времени ВОП τ_ВОП определяемая в большинстве случаев постоянной времени фотоприемника τ_фп и схемой его включения. Однако при использовании волокон значительной длины и малого диаметра необходимо принимать во внимание дисперсионную характеристику, определяющую постоянную времени волокна. Физический смысл дисперсионной характеристики, если исходить из геометрических соображений, состоит в том, что элементарные потоки, входящие в волокно под большими углами, проходят в волокне гораздо больший путь, чем лучи, входящие под малыми углами. Следовательно, при введении в волокно прямоугольного импульса излучения, импульс на выходе появится со временем нарастания.

где l- длина волокна; п_с - показатель преломления сердцевины волокна; φ_m — номинальная угловая апертура; с — скорость света.