Здавалка
Главная | Обратная связь

Принципы построения амплитудных световодных ОЭП



Амплитудные ОЭП на основе нерегулярных световодов условно разделяютнаследующие группы:

· преобразователи ФВ, сводимые к перемещению;

· рефрактометрические;

· преобразователи на основе наведенных затухания или излучения (люминесценции);

· резонансные.

К первой группе относятся устройства, в которых измеряемая величина преобразуется в перемещение. При этом восприимчивость световодов (изменение степени их нерегулярности) к измеряемому перемещению проявляется либо через деформацию световода, либо непосредственно. Ко второй группе относятся преобразователи, у которых преобразуемая ФВ изменяет ПП внешней среды или материала оболочки (сердцевины) световодной структуры. В преобразователях третьей группы ФВ, воздействуя на центры включений материалов световода, вызывает увеличение затухания излучения или его появление. К четвертой группе относятся ОЭП, в которых используются резонансные свойства участка световода, представляющего собой упругий элемент с распределенными параметрами.

Любой ОЭП можно рассматривать как совокупность элементарных преобразователей, осуществляющих последовательное преобразование измеряемой ФВ. При этом функция преобразования представляет собой произведение функций преобразования отдельных элементарных преобразователей.

В связи с наибольшей распространенностью ОЭП первых двух групп остановимся более подробно именно на них.

К группе преобразователей физических величин, сводимых к перемещению, относятся устройства, для которых на рис. 4.3 представлена схема основных преобразований. В ОЭП этой группы перемещение с помощью световодов с нерегулярными участками, возбужденных источниками излучения (оптико-механический элементарный преобразователь), и элементарных оптоэлектронных преобразователей (фотодиоды и т. п.) преобразуется в электрический сигнал. Наличие последних двух элементарных преобразований характерно для всех типов световодных ОЭП.

Преобразователи различных ФВ в механические, сводимые к перемещению, здесь не разбираются.

Как следует из рис. 4.3, в ОЭП первой группы перемещение непосредственно либо посредством деформации световода преобразуется в изменение его степени нерегулярности, что влечет за собой изменение интенсивности излучения у выходного торца.

Функция преобразования ОЭП в целом определяется

kоэп= k1k2 ... kN kQkMkОФkU,

где k1, k2 … kNфункции преобразования элементарных преобразователей ФВ в механические;

kQфункция преобразования элементарного преобразования механической величины (силы, деформации) в перемещение;

kМ – функция преобразования элементарного механического преобразователя, осуществляющего преобразование перемещения в какой-либо геометрический параметр нерегулярности, например в радиус изгиба;

kОФ – функция преобразования элементарного оптико-физического преобразователя, осуществляющего преобразование геометрического параметра нерегулярности в интенсивность оптического излучения на выходе ВСВ;

kUфункция преобразования элементарного оптоэлектронного преобразователя, осуществляющего преобразование интенсивности оптического излучения в электрический сигнал.

Специфичная для световодных ОЭП функция преобразования может быть нелинейной, как это имеет место в преобразователях на основе изогнутых или микроизогнутых ВСВ. Поэтому, в ряде случаев возникает необходимость ее определения для получения полной математической модели световодных ОЭП.

К группе рефрактометрических преобразователей относятся устройства, в которых измеряемая ФВ вызывает появление или изменение степени нерегулярности световода через изменение ПП (рис. 4.4).

Рис. 4.4. Структура преобразований в рефрактометрических ОЭП

Преобразование ФВ в степень нерегулярности в рефрактометрических преобразователях может осуществляться через числовую апертуру и через дифференциальную оптическую длину, под которой подразумевается разность произведений ПП одной среды на геометрическую длину участка световода, помещенного в эту среду, и ПП другой среды на геометрическую длину участка световода, находящегося в данной среде. Такие возмущения воспринимаются ВСВ из-за различия коэффициентов потерь на указанных участках.

В связи с тем, что рефрактометрические преобразователи могут воспринимать и перемещения, их можно рассматривать как разновидность преобразователей ФВ, сводимых к перемещению.

Амплитудные ОЭП рефрактометрического типа просты по конструкции и обладают высокой чувствительностью. В основу их положены рефрактометры. Рефрактометрические ОЭП весьма универсальны – одно и то же устройство при незначительной модификации может использоваться для измерения различных ФВ.

Среди рефрактометрических ОЭП следует выделить собственно рефрактометры (измерители ПП), точечные сигнализаторы границы раздела сред с различными ПП, аналоговые и дискретные многоточечные измерители уровня жидких сред.

Все световодные ОЭП условно можно разделить на устройства с открытым и закрытым оптическими каналами. К первому типу относятся преобразователи, в которых даже в статике излучение выходит в среду. В некоторых таких устройствах модуляция излучения измеряемой величиной осуществляется вне световода. Ко второму типу относятся ОЭП, в которых измеряемая величина воздействует на излучение через изменения параметров самого ВСВ.

В связи с тем, что функции преобразования элементарных оптоэлектронных преобразователей (фотодиодов) обладают высокой линейностью и подробно рассмотрены в литературе, для построения математической модели световодных ОЭП необходимо знание функций преобразования элементарных оптико-физических преобразователей, т. е. коэффициентов передачи нерегулярных участков ВСВ (отношение мощности оптического сигнала на выходе нерегулярного ВСВ к мощности на выходе, как если бы световод был регулярным).

4.3.2. Нерегулярности в волоконных световодах
и конструкции ОЭП на их основе

Все нерегулярности в зависимости от длины участка ВСВ, на которой они присутствуют, можно условно разделить на локальные и распределенные. Условность деления связана с тем, что некоторые нерегулярности могут быть как локальными, так и распределенными. Так, например, изогнутый участок ВСВ может быть локализован (полувиток) либо распределен в пространстве (цилиндрическая или коническая спираль виток к витку или с шагом, много большим толщины световода), причем радиус изгиба в обоях случаях может быть одинаковым.

На основе локальных нерегулярностей реализуются точечные, а на основе распределенных – линейные или дискретные многоточечные ОЭП. Кроме того, распределенные нерегулярности применяются для повышения чувствительности точечных преобразователей.

Нерегулярность стык-разрыв представляет собой соединение двух световодов торец в торец, причем стык осуществляется либо с зазором, либо без него. Кроме этого зазор может быть заполнен каким-либо веществом. Нерегулярность в данном случае вызвана отличием волновых сопротивлений ВСВ и среды в зазоре или стыкуемых световодов между собой из-за несоответствия оптических и геометрических параметров (ПП, коэффициентов поглощения и рассеяния, формы и площади сечений), а также из-за геометрических рассовмещений (несоосность ВСВ, перекос оптических осей и т. п.), что обусловливает появление светопотерь.

Этот вид нерегулярности имеет место как в случае одно-, так и многомодовых ВСВ и исследован при рассмотрении вопросов сочленения и сращивания световодов в ССПИ.

При геометрическом несоответствии или рассовмещении ослабление оптического сигнала, проходящего через нерегулярность данного вида, объясняется изменением эффективного модового объема (континуума мод).

В этом случае коэффициент передачи нерегулярности определяется:

для одномодовых градиентных ВСВ

kсв= [4/(w0/w + w/w0)2+ (βgww0/Rф)2] – х2/w02gφw0)2;

для многомодовых ступенчатых ВСВ

kсв12ха; kсв12φ/π ; k1(z/4а) n1 ;

kсв[(1(а1– а11)/а1]1 – 2(а1– а11)/а1(при а1>а11),

где Rф= z + w04βg /4z – радиус фронта волны гауссова пучка основной моды ВСВ;

βg ≈ n1k0фазовая постоянная распространения ВСВ;

k0= 2π/λ0волновое число в свободном пространстве;

w0 = [2а/n1k0 ]1/2– радиус пятна основной моды;

w = [w02+ 4z2/(w0βg)2]1/2– радиус пятна основной моды на входном торце отводящего световода;

х,φ, z – боковое, угловое и осевое (зазор) рассовмещения подводящего и отводящего световодов;

Δ= (n1 – n2)/n1относительная разность ПП преломления сердцевины (n1) и оболочки (n2) ВСВ;

а – радиус сердцевины световода; индексы I и II относятся соответственно к подводящему и отводящему ВСВ.

При неодинаковости оптических параметров стыкуемых ВСВ дополнительные потери обусловлены френелевским отражением от торцов, поглощением и рассеянием в зазоре, неодинаковостью модовых объемов. Так, френелевское отражение учитывается с помощью следующего выражения:

 

kсв= 16n12nc2/(n1 – nc)4,

а различие числовых апертур стыкуемых световодов:

kсв= Δ11 / Δ1 (при Δ11 > Δ1),

где ncпоказатель преломления среды в зазоре между стыкуемыми световодами.

Анализ вышеприведенных выражений показывает, что нерегулярность стык-разрыв наиболее сильно проявляется в одномодовых световодах. Из геометрических рассовмещений наиболее критичными являются угловое и боковое, а наибольший диапазон изменений имеет осевое рассовмещение. Для одномодовых ВСВ осевое рассовмещение более сильно влияет в случае световодов с большим значением Δ. Начиная с определенных величин зазора, светопропускание слабо зависит от z. Для многомодовых ВСВ чувствительность к осевому рассовмещению также явно выражена, но менее зависит от Δ, чем в случае одномодовых. К боковому рассовмещению более чувствительны одномодовые ВСВ с большим Δ, а в случае многомодовых ВСВ – с градиентным распределением ПП. Угловое рассовмещение значительно влияет в случае применения ВСВ всех типов с меньшим значением Δ, а в случае многомодовых ВСВ зависимость от kсвφболее сильно выражена у градиентных световодов, чем у ступенчатых. Все указанные зависимости пригодны для использования в ПИП. Также для ПИП пригодна зависимость светопропускания от эффективной площади торцов стыкуемых ВСВ, которая может изменяться в результате механического воздействия на ВСВ.

В рефрактометрических ОЭП применимы зависимости коэффициентов передачи от Δ11 и ПП среды в зазоре.

В случае шторки, исходно перекрывающей световод на половину сечения,

kсв= 1 – 1/π arccos q/a + 1/πa2 q ,

где q – перемещение шторки.

Кроме рассмотренного варианта нерегулярности стык-разрыв, в ПИП нашла применение нерегулярность типа стык источника излучения с ВСВ.

Нерегулярность стык-разрыв является локальной, но может многократно повторяться в одном и том же ВСВ. В последнем случае она считается условно распределенной.

ОЭП на основе нерегулярности стык-разрыв относятся к устройствам с открытым каналом. В них могут использоваться одно- и многомодовые ВСВ, а также световодные жгуты.

При реализации ОЭП перемещений, работающих на рассовмещении, один из ВСВ жестко закреплен в корпусе устройства, а второй может перемещаться в соответствии с измеряемой ФВ, причем в преобразователях могут быть использованы как один вид рассовмещения, так и одновременно несколько. В таком устройстве осуществляется преобразование

 

P → F → ε1 → q → kсв,

где Р – давление;

F – усилие;

ε1– деформация упругого элемента;

q – перемещение.

Преобразователи перемещений на основе стыка – разрыва позволяют измерять перемещения до 200 мкм с порогом чувствительности 2×10-6 мкм при наибольшей чувствительности 0,4 дБ/мкм.

Нерегулярность стык-разрыв применяется также в рефрактометрических индикаторах уровня для контроля дискретных значений уровня (точечный преобразователь). Принцип действия таких ОЭП основан на изменении направления излучения (из-за преломления), нарушении отражающих (полного внутреннего отражения) или фокусирующих свойств оптических элементов, установленных в зазоре или торцов ВСВ специальной формы.

Модификация нерегулярности стык – разрыв в виде скошенного под углом полного внутреннего отражения торца используется в приемнике акустического давления, где при изменении давления за счет изменения ПП среды и условий полного внутреннего отражения происходит модуляция отраженного в обратном направлении излучения. Для указанных устройств характерны преобразования:

H → nc → NA → kсв P → pс → nc → NA → kсв,

где Н – уровень жидкости;

nc – ПП жидкости;

NA – числовая апертура;

Р – давление;

pc – плотность среды жидкости.

Общим достоинством всех ОЭП на основе стыка-разрыва является сравнительная простота конструкций, а недостатками – зависимость параметров устройства от качества обработки торцов ВСВ, необходимость тщательной юстировки, наличие потерь излучения на френелевское отражение, рассеяние и поглощение излучения в зазоре.

Под изгибом ВСВ подразумевается искривление оптической оси световода с постоянным или монотонно изменяющимся радиусом. При этом ослабление оптического сигнала происходит из-за потерь мод на излучение, а также из-за конверсии низших мод в высшие (до мод оболочки и излучения). В одномодовом ВСВ преобладают потери на излучение, обусловленные тем, что фазовая скорость плоской поверхностной волны, распространяющейся вдоль изогнутой границы раздела диэлектрических сред с различными ПП, на некотором расстоянии от оси (в сторону от центра кривизны) для поддержания фазового фронта плоским должна была бы превысить фазовую скорость волны в материале, что невозможно, поэтому часть энергии излучается в пространство. В случае изгиба многомодового ВСВ наблюдаются оба вида потерь. Ослабления сигнала за счет конверсии мод обусловлены тем, что с увеличением кривизны все большее число направляемых мод трансформируется в моды оболочки и излучения. Изгиб сопровождается деформацией распределения полей и ПП, несколько снижая потери. Некоторое увеличение потерь происходит из-за того, что при конверсии низших мод в высшие последние сильно затухают из-за большей оптической длины их пути в ВСВ.

Избыточные потери при изгибе характеризуются коэффициентом затухания по мощности (2α) и коэффициентом передачи (kсв) изогнутых участков ВСВ, связанных между собой соотношением kсв = ехр(2αl), где l – длина участка изгиба.

Коэффициент затухания в изогнутых одномодовых плоских ступенчатых световодах определяется выражением:

 

2α = {γ2χ2exp (2γa) exp – [2γ2 r/(3βg2)]}/βg (1 + γa)(n12 – n22) k0;

γ2= βg2 – n22 k0; χ2= n12 k02βg2,

а в случае многомодовых ВСВ, возбуждаемых источником с диаграммой направленности F (0) = cosτθ, имеет вид:

 

kcв[1 – (1 – n12θс2 Nиз/N) τ/2 + 1]/ [1 – (1 – n12θс2) τ/2 + 1 ];

Nиз= 0,5(a k0 n1θэф. i);

N = 0,5(a k0 n1θс);

qэф. i= θс ,

где βg, χ фазовые постоянные распространения основной моды вдоль оси и поперек световода;

γ поперечная постоянная распространения в оболочке световода;

a – полувысота плоского световода или радиус ВСВ;

r – радиус изгиба;

N, Nиз– число мод в прямолинейном и изогнутом ВСВ;

θс = критический угол в ВСВ;

θэф. i – характеристический угол высшей моды в прямолинейном ВСВ, которая в результате изгиба становится модой с характеристическим углом θc;

θ – угол между направлением распространения моды и осью ВСВ;

τ – коэффициент степени вытянутости диаграммы направленности источника излучения.

Значение βg определяется по фазовому параметру, графики зависимости которого от обобщенного частотного параметра V = a k0n1θcданы в работе [19].

В ОЭП перемещений на основе изогнутых ВСВ могут применяться как одно-, так и многомодовые световоды, однако в первом случае имеются сложности возбуждения и ввода в них достаточной мощности, определяющей чувствительность устройств. Необходимо иметь в виду, что в ОЭП перемещений на основе изогнутых световодов следует применять ВСВ с апертурой, обеспечивающей диапазон радиусов изгиба области явно выраженной зависимости kсв, не захватывающий критические с точки зрения механической прочности радиусы изгиба (10 ¸ 20 радиусов сердцевины). Изогнутые ВСВ находят также применение в рефрактометрических ОЭП, где используются зависимости kсв от n2или nc.

Кроме указанных, в ОЭП могут использоваться и другие явления, присущие изогнутым ВСВ. Так установлено, что на участке изгиба излучение выходит из ВСВ в виде ряда расходящихся дискретных тангенциальных пучков, прячем ширина пучков и их количество определяются параметрами ВСВ и его изгиба.

Нерегулярность в виде изгиба ВСВ может быть локальной, распределенной, а также дискретно-многократной (разновидность распределенной нерегулярности).

Микроизгибами ВСВ называют периодические и случайные отклонения оси волокна от прямой линии, которые появляются в процессе изготовления световодов при покрытии полимерными оболочками, при их прокладке, а также наводятся специально, например при деформации ВСВ между профилированными пластинами. В результате микроизгибов в ВСВ появляются дополнительные потери, величина которых определяется их геометрией, типом и оптическими параметрами световодов. Избыточные потери на микроизгибах обусловлены конверсией мод, которая выражена значительно сильнее, чем в случае изгибов.

Геометрия микроизгибов характеризуется амплитудой отклонения оси от прямой линии b, пространственным периодом λ (частотой Ω = 2p / λ (в случае периодических) и спектральной функцией распределения Ф(Ω) – (при случайных микроизгибах). Наибольшую чувствительность к микроизгибам удается добиться при равенстве Ω разности фазовых постоянных ближайших групп мод Δβ. Для градиентных ВСВ Δβ = 2Δ/a. Коэффициент передачи в данном случае равен: kсв= е-2αlи, где lи протяженность микроизогнутого участка.

Коэффициенты потерь для случайных микроизгибов описываются выражениями:

для одномодовых ВСВ

< 2α > = (1 / 8 < rmin2>)(n1 k0 w0)2 Ф(Ω);

для многомодовых ВСВ

< 2α > = [1,8 (р < b2> a 4)/dc6Δ3 ](E2/ E1)3/2,

где < > – означает среднее значение;

rmin – радиус изгиба ВСВ в точке наибольшего отклонения его оси от прямой линии;

Ф(Ω) – спектральная функция распределения;

р – число выпуклостей на единицу длины;

Е1, E2модули упругости материалов сердцевины оболочки ВСВ;

dcполный диаметр световода,

Потери на микроизгибах имеют общий характер и выражения, их описывающие, приближенно справедливы для ВСВ с любым распределением ПП, хотя затухание несколько выше в градиентных световодах. Сопоставление между собой многомодовых и одномодовых ВСВ показывает, что затухание из-за микроизгибов при прочих равных условиях существенно выше последних.

Микроизгибы представляют собой распределенную нерегулярность и могут применяться как в преобразователях перемещений, так и в рефрактометрических ОЭП.

Преобразователи на основе изогнутых и микроизогнутых ВСВ относятся к устройствам с закрытым оптическим каналом.

В ОЭП ФВ, сводимых к перемещению, измеряемая величина вызывает изменение геометрических характеристик изгиба или микроизгибов, что сопровождается изменением светопропускания.

В преобразователе перемещения осуществляется преобразование

q → ε → kсв,

а в ОЭП давления

P → F → q → ε → kсв,

где ε – деформация ВСВ.

Особенностью устройств на основе изогнутых и микроизогнутых ВСВ является то, что в них для устранения зоны нечувствительности функции преобразования световод необходимо вначале изогнуть (деформировать) таким образом, чтобы рабочая точка находилась на участке явно выраженной зависимости светопропускания от радиуса изгиба (амплитуды отклонения оси от прямой линии). Такие устройства реализуются на основе одно- и многомодовых ВСВ и позволяют измерять перемещения до 5 мм (изогнутые ВСВ) и до 1,5 мм (микроизогнутые ВСВ) с разрешением до 10-2 и 10-4 мкм соответственно. Для уменьшения количества световодов излучение в данных ОЭП может подводиться к чувствительному элементу и отводиться от него по одному световоду. Для этого за чувствительным элементом у выходного торца устанавливают отражатель, а информацию выделяют с помощью направленного ответвителя, устанавливаемого вблизи входного торца.

В рефрактометрических ОЭП на основе изогнутых ВСВ используется зависимость светопропускания изогнутого с неизменной кривизной участка ВСВ от ПП оболочки или окружающей среды. Изогнутый участок ВСВ является ограничителем числа мод. Увеличение Δ световода на участке изгиба способствует увеличению модового объема этого участка (восстановлению ранее излучавшихся мод), а уменьшение – еще большему уменьшению числа мод. Так точечные жидкостные и линейные (многоточечные) безжидкостные рефрактометрические термометры позволяют измерять температуру в пределах
0 ¸ +60°С с чувствительностью 0,1 В/K и быстродействием 0,5 K/с.

Достоинством указанных устройств является простота конструкции, а недостатком – сравнительно малый диапазон преобразования.

Нерегулярность в виде изменения поперечного сечения ВСВ вдоль оси имеет несколько разновидностей: монотонное изменение (например, фокон), периодическое (синусоидальная граница сердцевина – оболочка) или случайное.

Фокон – это световод в форме усеченного конуса. При распространении излучения по нему от большего основания к меньшему энергия мод низшего порядка постепенно переходит в моды высшего порядка. В этом случае моды, входящие в фокон под углом θвх к оси, при выполнении для них условия полного внутреннего отражения на всей длине, выходят из него под углом
qвых = arcsin (d1/d2 sin θвх), а число отражений, которые они испытывают


nотр= arcsin (d1/d2 sin θвх) – θвх / (2αф),

 

где αф – половина угла при вершине конуса, образующегося при продолжении фокона (угол конусности);

d1, d2 диаметры большего и меньшего оснований фокона.

Если фокон помещен в пограничный слой двух несмешивающихся сред (пc¢ и пc²,причем пc¢ > пc²)с явно выраженной границей раздела, для части мод, распространяющихся по фокону, помещенному в среду с ПП пc², условия распространения нарушаются и они покидают фокон. По мере увеличения глубины погружения в среду с пc¢ все большее число мод покидает нерегулярный световод. Коэффициент передачи фокона определяется выражением:

 

kсв= {[(1 – 2αфΔ / d1) (θc¢ – αф)] / θс}2,

где θс, θс¢ – критический угол высшей моды в световоде, предшествующем фокону и в световоде с ПП n1 и пc¢;

nc¢показатель преломления оптически более плотной из двух сред;

Δl¢глубина погружения фокона в среду с ПП nc¢, отсчитываемая от большего основания с диаметром d1;

αф – угол конусности фокона.

Периодические изменения сечения световода вызывают дополнительные потери из-за поверхностного рассеяния. Для низших мод (в реальном ВСВ) эти потери составляют 0,5 ¸ 50 дБ/см, а для высших мод они еще больше αф, что объясняется большим числом отражении высших мод. Выражение для коэффициента потерь на рассеяние в случае плоского слабонаправляющего световода имеет вид:

2α ≈ b2γ4cos2Ω a) / 2pg (2a + 1/γ) σΩ;

σΩ2 = n12 k02g – Ωн)2,

где Ωн – пространственная угловая частота отклонения границы от прямой линии.

Анализ приведенного выражения показывает, что потери за счет поверхностного рассеяния тем больше, чем больше значение Δ световода. Особенностью нерегулярности данного вида является то, что основное рассеяние на нерегулярной границе сердцевина – оболочка (среда) наблюдается в направлении αs = arccos[(βg – Ωн) / (n2 k0)], т. е. направление зависит от пространственной частоты возмущения границы Ωн. При Ωн = βg излучение направлено перпендикулярно границе, а при Ωн = βgn2 k0 – по касательной к ней (рассеяние наибольшее в последнем случае).

Коэффициент потерь при случайных искажениях границы, кроме указанного выше, зависит еще от интервала корреляции – потери имеют наибольшую величину при интервале корреляции, равном полувысоте световода (для плоского световода). Кроме этого, потери на рассеяние увеличиваются с ростом отклонения границы от прямой линии.

Нерегулярности данного вида относятся к распределенным и могут использоваться в ОЭП обоих групп.

Преобразователи перемещений на основе рассматриваемых нерегулярностей при случайном искажении границы относятся к устройствам с открытым оптическим каналом и позволяют измерять перемещения до 100 мм с порогом чувствительности в единицы микрометров. В таких преобразователях нерегулярный ВСВ используется как среда с большим затуханием. Излучение источника, перемещающегося в соответствии с перемещением контролируемого объекта, вводится через боковую поверхность нерегулярного ВСВ. При перемещении объекта изменяется оптическая длина пути излучения в нерегулярном ВСВ, что сопровождается изменением его интенсивности – осуществляется преобразование q → kсв.

На основе нерегулярности в виде изменений поперечного сечения также могут строиться рефрактометрические аналоговые и дискретно-многоточечные измерители уровня жидких сред. В этих устройствах используется явление изменения поверхностного рассеяния на нерегулярном участке при изменении ПП среды или нарушении полного внутреннего отражения. Многоточечные измерители могут быть реализованы в двух вариантах. В первом световод имеет периодично-переменное сечение с периодом, много большим длины волны излучения и большим отклонением границы от прямой линии. В таком устройстве используется явление нарушения полного внутреннего отражения излучения на выступах при погружении их в контролируемую жидкость. Во втором варианте нерегулярные участки световода (случайные изменения поперечного сечения), сочлененные регулярным ВСВ, устанавливаются горизонтально, что позволяет с высокой точностью фиксировать дискретные уровни.

Принцип действия аналогового уровнемера основан на различии потерь (рассеяния) излучения на участках нерегулярного ВСВ, помещенных в воздух и контролируемую жидкость. Случайные изменения сечения неизбежны при изготовлении ВСВ, которые слабо влияют на светопропускание при нанесении на световоды полимерных покрытий, и значительно сильнее проявляются при удалении последних механическим или химическим путем, что и используется при изготовлении чувствительного элемента. Уровнемер, в котором происходит преобразование Н → Δl → kсв, где Δl – дифференциальная оптическая длина (глубина погружения), позволяет измерять уровни жидкости до 500 мм с чувствительностью 25 мВ/мм.

Достоинством рефрактометрических ОЭП на основе нерегулярности в виде изменений поперечного сечения является простота конструкций, а недостатком – зависимость показаний от ПП контролируемых жидкостей.

Скрученные световоды некруглого сечения также представляют собой распределенную нерегулярность, которая в настоящее время мало изучена, поэтому привести аналитическое ее описание не представляется возможным. Однако, известно, что светопропускание скрученного световода зависит от степени скрученности и Δ световодов. Потери при скрутке обусловлены связью направляемых мод с модами излучения.

На основе скрученных световодов некруглого сечения могут быть реализованы ОЭП перемещения. В преобразователе скоростного напора лопастного типа скоростной напор приводит к перемещению лопасти, в результате чего происходит изменение степени скрученности световода, а значит, и изменение интенсивности излучения. Здесь реализуется следующая последовательность элементарных преобразований: V → P → F → q → ε → kсв(V – скорость, Р – давление, А – сила). На основе скрученного световода могут быть реализованы и другие рефрактометрические устройства, отличающийся простотой конструкции.

Под связанными световодами подразумевается система близко расположенных друг относительно друга основного и вспомогательного световодов (расстояние между ними соизмеримо с длиной волны). Потери в основном световоде в такой системе обусловлены туннелированием энергии из него во вспомогательный за счет распределенной оптической связи между ними. Аналогичный эффект наблюдается при замене вспомогательного световода поглощающей пластиной. Оптическая связь между световодами, расположенными параллельно друг другу, осуществляется из-за взаимодействия спадающего внешнего поля основного световода со вспомогательным.

Коэффициент передачи такой системы определяется коэффициентом связи, который зависит от расстояния между световодами, фазовых постоянных их основных мод (Δ световодов), длины участка перекрытия. Формула для коэффициента передачи имеет вид:

 

kсв= cos2 (zпер ) + [Δβ2 / (с2 + Δβ2)]sin(zпер );

с = [2βg exp(–2yld)] / βg αy bсв(1 + βy2 / αy2);

αy = – βy2;

βy2 = n12 k0βg2 = χ2;

Δβ = │βg1 – βg2│,

где zпер – участок перекрытия связанных световодов 1 и 2;

с – коэффициент связи;

Δβ – разность постоянных распространения основных мод связанных световодов,

αy – коэффициент, характеризующий скорость экспоненциального убывания поля вне основного световода;

ldрасстояние между связанными световодами;

bсв – ширина световодов.

Нерегулярность типа «связанные световоды» является распределенной, так как взаимодействие между световодами происходит на определенной длине их перекрытия zпер, но поскольку обычно эта длина мала, нерегулярность может рассматриваться как локальная.

На основе связанных световодов могут быть реализованы ОЭП перемещений, основанные на зависимости от измеряемой величины расстояния между световодами, установленными параллельно друг другу на участке перекрытия, что влечет за собой изменение оптических сигналов в световодах. Они позволяют измерять перемещения до 100 мкм с высокой точностью.

Связанные световоды нашли применение в рефрактометрических точечных и линейных термометрах, в которых температура вызывает изменение числовой апертуры связанных световодов, что изменяет оптические сигналы на выходе обоих связанных световодов.

В случае оптической связи ВСВ через воздух ОЭП на их основе можноотнести к устройствам с открытым оптическим каналом. Однако, в связи с тем, что связанные полоски могут выполняться утопленными в подложку, устройства на их основе могут быть реализованы с закрытым оптическим каналом.

К другим нерегулярностям можно отнести участок, на некоторой протяженности которого изменяется величина Δ (δ-нерегулярность), а также различные комбинации нескольких видов нерегулярностей.

Для δ-нерегулярности характерно наличие потерь из-за изменения модового объема ВСВ. Коэффициент передачи участка с δ-нерегулярностью в случае изотропного возбуждения имеет вид: kсв = Nδ/N; Nδ = 0,5(ak0NAδ)2;
NA
δ= , где индексом δ обозначены возмущенные ФВ параметры ВСВ.

Нерегулярности этого вида могут быть локальными или распределенными и применяются в рефрактометрических ОЭП.

Принцип действия этих устройств заключается в изменении условий полного внутреннего отражения на границе сердцевина – оболочка (среда) ВСВ при изменении Δ световода (изменяется модовый объем). Преобразователи этого типа могут быть точечными и линейными. В них могут применяться как серийные кварц-полимерные световоды, так и световоды со специальными покрытиями.

Применение комбинированных нерегулярностей в ряде случаев может обеспечить улучшение параметров ОЭП или повысить их информационную способность (комбинированные ОЭП для измерения нескольких ФВ). В то же время следует иметь в виду, что многофункциональные зависимости коэффициентов передачи нерегулярностей и комбинированные нерегулярности в ряде случаев нежелательны из-за увеличения погрешности ОЭП.

4.4. ОЭП на основе нарушения
полного внутреннего отражения

Среди многообразия оптических и спектральных методов, нередко наиболее эффективными являются методы абсорбционного спектрального анализа, в том числе и в ИК-диапазоне, с помощью которых можно проводить исследования объектов, сведя к минимуму вмешательство регистрирующих и других устройств. Однако, применение этих методов при исследовании объектов ограничивается тем, что большинство последних представляют светорассеивающие среды, для анализа которых традиционные методы абсорбционного спектрального анализа, оказываются мало пригодными. Это объясняется тем, что необходимо учитывать появление различных нежелательных эффектов, таких как интерференция, появление полос селективного светорассеяния, имеющих ассиметричную форму и сопровождающих истинные полосы поглощения, а это значительное отступление от закона Бугера-Ламберта-Бера и др. Если анализ должен проводиться в ИК-диапазоне, то возникают дополнительные трудности, связанные с использованием растворителя, что не всегда допустимо, либо с сильным поглощением воды в области далее 2 мк.

Все это вместе взятое приводит к необходимости поисков и исследованию новых методов, в которых подобные затруднения отсутствуют или по возможности сведены к минимуму.

Появившийся в последние годы новый метод – метод спектроскопии нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО) позволяет в значительной степени обойти многие из выше перечисленных трудностей, присущих известным классическим методам. Кроме того, в силу своих специфических особенностей метод спектроскопии (НПВО) дает возможность одновременно определять обе оптические постоянные – показатель поглощения и показатель преломления.

С момента использования Фаренфортом в 1959 году явления полного внутреннего отражения (ПВО) в ИК-спектроскопии в руках исследователей оказался еще один перспективный метод, позволивший изучать различные объекты, которые невозможно или трудно исследовать абсорбционными методами. В результате стало возможным непосредственно изучать химические, физико-химические и биохимические процессы, протекающие в средах, недоступных для исследования обычными методами.

Новый метод получения спектральных характеристик нашел различные применения и развился в отдельное направление спектроскопии, получившее название «спектроскопия нарушенного полного внутреннего отражения» (НПВО). При этом наряду с полным названием применяется и сокращенное – «спектроскопия внутреннего отражения» (СВО). Метод охватывает широкий круг явлений, связанных с распространением света во вторую среду, примыкающую к границе, на которой происходит внутреннее отражение в первой, оптически более плотной среде. Внутреннее отражение называется полным, если весь световой поток без потерь отражается от границы. Полное внутреннее отражение называется нарушенным, если отраженный поток меньше падающего либо за счет поглощения, либо за счет распространения части потока во вторую среду. Для целей спектроскопии, очевидно, представляет интерес лишь второй случай – ослабление за счет поглощения. Был также предложен и разработан вариант НПВО – спектроскопия многократного полного внутреннего отражения (МНПВО) Многократное отражение используется для усиления слабых полос поглощения.







©2015 arhivinfo.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.