Методика расчета и выбора конструктивных параметров оптической системы волоконно-оптического преобразователя давления с отражательным аттенюатором Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Кривулин Н.П., Крупкина Т.Ю., Мурашкина Т.И. МЕТОДИКА РАСЧЕТА И ВЫБОРА КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ДАВЛЕНИЯ С ОТРАЖАТЕЛЬНЫМ АТТЕНЮАТОРОМ

Разработана методика расчета конструктивных параметров оптической системы волоконно-оптического преобразователя давления (ВОПД) с отражательным аттенюатором, разработаны критерии оптимальности выбора конструктивных параметров оптической системы ВОПД.

Основная задача расчета оптической системы, которая стоит на стадии проектирования волоконнооптического датчика давления (ВОДД), заключается в определении ряда конструктивных параметров, обеспечивающих эффективный ввод излучения из подводящего (ПОВ) в отводящее оптическое волокно (ООВ), линейную функцию преобразования Ф(Х), высокую чувствительность преобразования dФ/dХ, максимальную глубину модуляции оптического сигнала, равномерное распределение освещенности в плоскости расположения торцов ООВ, минимальные габаритные размеры волоконно-оптического преобразователя давления (ВОПД).

С учетом вышесказанного разработана методика расчета ВОДД с отражательными аттенюаторами.

Исходными данными для расчета являются:

1 Тип используемых оптических волокон, характеризующихся следующими справочными данными:

- апертурным углом 0^А;

- радиусом оптического волокна Гов;

- радиусом сердцевины гс (диаметром сердцевины с^с).

2 Максимальное перемещение аттенюатора вдоль оси 2, соответствующее максимальному прогибу мембраны под действием давления.

3 Дистанция формирования пучка света Lф = dc/2tg0NA.

4 Местоположение плоскости, в которой распределение освещенности равномерное и где установлен аттенюатор относительно ПОВ и ООВ.

Расчетно-конструктивная схема волоконно-оптического преобразователя перемещения (ВОПП) с отражательным аттенюатором приведена на рисунке 1. В соответствии с данной схемой в результате расчета должны быть определены следующие параметры:

- начальное расстояние Хо от общего торца волоконно-оптического кабеля до отражающей поверхности аттенюатора;

- ширина отражающей поверхности аттенюатора Н;

- расстояние О между осями излучающего торца ПОВ и приемного торца ООВ;

- расстояние 1,1, на котором расположена верхняя граница зеркальной отражающей поверхности относительно оптической оси ПОВ.

Так как в конструкции датчика с отражательным аттенюатором также используется дифференциальная схема преобразования светового потока, поэтому выводы, сделанные для ВОПД с предельным аттенюатором, справедливы и в этом случае [2]. В частности аттенюатор необходимо располагать относительно оптических волокон (ОВ) на расстоянии 1 > Ьф, при этом распределение светового потока на отражающей поверхности аттенюатора будет равномерное.

Из треугольника ЛЕС (см. рисунок 1)

Хо= В /^д0^, (1*1)

В соответствии с рисунком 1 расстояние Н определяется выражением

ООВ

Рисунок 1 - Расчетно-конструктивная схема ВОПП с отражательным аттенюатором

По программе «Разработка теории распределения светового потока в пространстве ВОП физических величин с открытым оптическим каналом» проведено математическое моделирование в среде Ма^САБ. В процессе моделирования изменялось расстояние между ОВ и отражающей поверхностью аттенюатора Хо и ширина отражающей полосы аттенюатора Н. Строились зависимости при начальном расстоянии Хо, начиная со значения порядка 3^ (т.к. при Хо=2,5^...3^ значение интенсивности мало), для ОВ с внешним диаметром 50 0мкм, диаметром сердцевины 2 0 0 мкм, апертурным углом 12 град. Результаты моделирования при вышеперечисленных параметрах приведены на рисунке 2.

Xq= 0,7 мм, Н = 0,2 мм

Х0 = 0,7 мм, Н = 0,1 мм

-0.4 -0.31 -022 -013 -OJM 0Л5 014 0.23 0.32 0 41 0 5

Z, ММ а)

Х0 = 0,8 мм, Н = 0,2 мм

z, мм в)

Х0= 0,9 мм, Н = 0,2 мм

л)

Рисунок 2 (начало)

Х0 = 1,0 мм, Н = 0,2 мм

0.15

0.15|

0.14

0.12

0.11

0.09

"0.075

:)

О Об 0.045 0.03 0.015

к

\

\

'I

\

-0.4 -0.31 -022 -0.13 -0.04 0.05 0.14 0.23 0.32 0.41 0.5

Z, ММ ж)

Х0 = 1,1 мм, Н = 0,2 мм

z, мм б)

Х0 = 0,8 мм, Н = 0,1 мм

z, мм г)

Х0 = 0,9 мм, Н = 0,1 мм

z, мм е)

Х0 = 1,0 мм, Н = 0,1 мм 0-iE

z, мм з)

Х0= 1,1 мм, Н = 0,1 мм

, мм

, мм

, мм

и)

к)

1,2 мм, Н = 0,2 мм

2, мм л)

Хо= 1,3 мм, Н = 0,2 мм

2, мм н)

Х0 = 1,5 мм, Н = 0,2 мм

2, мм р)

Хо= 0,8 мм, Н = 0,15 мм

-0.22 -0.13 -0.04

г, мм т)

Х0 = 1,5 мм, Н = 0,15 мм 0.2

С

' 0 0® 0 06 0 04 0 02

'Г N

-0.4 "031 -0.22 -0.13 -0.04 0.05 014 0.23 0 32 0.41 0 5

2, мм ф)

1,2 мм, Н = 0,1 мм

2, мм м)

1,3 мм, Н = 0,1 мм

2, мм п)

Х0 = 1,5 мм, Н = 0,1 мм

2, мм с)

Хо = 0,8 мм, Н = 0,3 мм

2, мм

у)

Х0 = 1,5 мм, Н = 0,3 мм

2, мм X)

Рисунок 2 (окончание) - Результаты математического моделирования в среде Ма^САБ

Полученные результаты позволили сделать следующие выводы:

- значение интенсивности световых потоков ^1(2), (2) первого и второго измерительных каналов соот-

ветственно зависит от расстояния Хо;

- ширина «полки» (горизонтальная прямая, соединяющая точки, соответствующие 0,7 5^ для первого измерительного канала и 0,25^ второго измерительного канала, имеющих одинаковые значения) зависит от ширины Н отражающей поверхности аттенюатора и определяется независимостью сигналов измерительных каналов. Критерий - ширина «полки» Ь>0,5 (Зс определяется технологией сварного соединения.

Если аттенюатор установлен на расстоянии Хо, большем некоторого критического значения, то возникают «всплески». На участках, меньших 0,25^ для первого и 0,7 5^ второго измерительных каналов, данные всплески отсекаются конструктивным путем и не оказывают влияния на процесс преобразования информации. «Всплески», возникающие при удалении аттенюатора, объясняются следующим, при перемещении аттенюатора в различных сечениях X (рисунок 3) отраженный световой поток воспринимается различной площадью ООВ одного из измерительных каналов. Максимальное значение интенсивности наблюдается, когда при перемещении аттенюатора световой поток перекрывает площадь трех ООВ одного измерительного канала. Минимум соответствует отражению светового потока в оболочку ОВ. При дальнейшем перемещении (удалении) аттенюатора отраженный световой поток закрывает одно ООВ, площадь которого соответственно меньше площади трех ООВ.

Рисунок 3

Анализ результатов моделирования позволил выбрать оптимальными параметрами ВОП: Н = ^ = 0,2 мм, Хо = 6^ = 1,2 мм. Выбранные параметры соответствуют графикам зависимостей, представленным на рисунке 2, л.

Определенные значения конструктивных параметров ВОПП обеспечивают достижение максимальной чувствительности преобразования при максимально достижимой линейности функции преобразования оптических сигналов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Кривулин Н.П., Крупкина Т.Ю., Коломиец Л.Н., Мурашкина Т.И. Распределение светового потока в волоконно-оптических преобразователях перемещения с отражающим управляющим элементом // Датчики и системы. - 2оо7 - № 6. с.14-16.

2. Пивкин А.Г. Математическая модель волоконно-оптического преобразователя аттенюаторного типа// Информационно-измерительная техника, экология и мониторинг: Науч. тр. - Вып. 6 (2оо3). - М.: МГУЛ, 2003.

-С. 268-274