Главная | Обратная связь

Расчет параметров волоконно-оптической системы датчика

Для количественной оценки, а также для определения оптимальных условий передачи ИК-излучения по волоконно-оптическому каналу, была предложена методика расчета оптимального режима ввода излучения в волокно. Необходимость таких расчетов обусловлена тем, что сечение оптических волокон мало и сигнал, поступающий на вход приемника, близок к его порогу чувствительности.

Рассмотрим влияние расстояния между излучающим объектом и волокном на мощность излучения, поступающего в волокно.

Схема ввода теплового излучения от плоскости в волокно приведена на рис. 6.52.

Найдем из соотношения , где – апертурный угол, причем , а – числовая апертура.

При расчетах учитываем

Площадь излучаемой поверхности, попадающей в зрачок апертуры:

. (6.47)

Найдем из соотношения ,

Откуда .

Подставив в (6.47), получим:

(6.48)

С учетом ослабления излучения от расстояния каждого сегмента поверхности найдем мощность на входе в волокно с площадью сечения :

,

где – площадь полусферы на расстоянии от поверхности,

– плотность мощности излучения с единицы поверхности.

Рис. 6.52 Схема ввода теплового излучения в волокно
– расстояние от торца волокна до фокуса; – расстояние от поверхности
объекта до торца волокна; – радиус излучающей поверхности.

Подставим в полученное выражение из (6.48), найдем:

. (6.49)

Значение можно определить из соотношения:

, (6.50)

учитывая, что , получим:

.

Подставим значение в (6.49), найдем:

. (6.51)

Рассмотрим два случая:

r имеет порядок длины .

При малых апертурах, порядка , имеем:

, (6.52)

при получим:

. (6.53)

Зависимость мощности излучения введенного в волокно Æ 1 мм в Ваттах от апертуры приведена и на рис. 6.53.

Рис. 6.53. Зависимость вводимой мощности от апертуры волокна ,

(6.54)

то есть можно пренебречь , следовательно

При имеем: .

Учтем влияние углового распределения излучаемой поверхности на мощность света поступающего в торец волокна. Площадь поверхности, излучаемая под углом , соответствует площади излучаемой поверхности, как , где площадь сечения волокна.

В нашем случае угол изменяется от 0 до , где . Для величины составляет 17 º, а значение изменяется от 1 до 0,95

 

,

то есть погрешность незначительная.

Влияние апертуры оптического волокна Æ 1 мм на мощность вводимого излучения в Ваттах приведена на рис. 6.54.

Рис. 6.54. Зависимость вводимой мощности от апертуры волокна при l>>r

Рассмотрим случай, когда волокно придвинуто вплотную к поверхности

Рис. 6.55. Схема ввода излучения в волокно
непосредственно с излучающей поверхности.

Найдем из соотношения , где – апертурный угол

Площадь излучаемой поверхности, попадающей в сечение волокна . Это излучение распределяется по сфере с радиусом площадью

 

. (6.55)

Волокно примет только излучение попадающее под углом апертуры . Эквивалентная площадь излучения, снимаемого с полусферы, будет:

, (6.56)

где .

Мощность излучения попадающего в сердцевину волокна

,

где – мощность теплового излучения от единицы поверхности. Мощность излучения «захватываемого» волокном с учетом апертуры будет пропорциональна отношению , то есть имеем:

 

. (6.57)

При , так как .

При найдем :

,

при имеем :

. (6.58)

Зависимость мощности ИК-излучения в оптическое волокно Æ 1 мм от его апертуры приведена на рис. 6.56.