Способ измерения микроперемещения и волоконно-оптический преобразователь перемещения для его осуществления Текст научной статьи по специальности «Физика»

Мурашкина Т.И., Крупкина Т.Ю., Пивкин А.Г. СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ МИКРОПЕРЕМЕЩЕНИЯ И ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

При финансовой поддержке в форме гранта Министерства образования и науки РФ

Предложен новый способ измерения микроперемещений в волоконно-оптических преобразователях (ВОП), основанный на формировании пучка света в виде пучка параллельных лучей, направляемых на перемещающуюся поверхность вдоль направляющих полого усеченного конуса.

ВОП, реализующие различные принципы действия, отличаются малыми габаритными размерами и малыми перемещениями отдельных элементов оптической системы, которые вполне справедливо можно назвать микроперемещениями. Соответственно, при изготовлении встает задача точной юстировки элементов ВОП. Эта задача достаточно эффективно может быть решена на пути

В работе [1] рассмотрен способ измерения микроперемещения, заключающийся в том, что с помощью микролинзы формируют световой поток в виде пучка параллельных лучей, пропускают его через две перемещающиеся относительно друг друга в соответствии с измеряемым перемещением встречные дифракционные решетки, модулированный световой поток направляют с помощью микролинзы в приемный световод, по интенсивности принятого светового потока судят об измеряемом перемещении. Недостатками данного способа измерения микроперемещения являются:

- отсутствие возможности измерения перемещения, перпендикулярного общему торцу оптических волокон;

- сложность процедуры настройки датчика, необходимой для обеспечения требуемой чувствительности преобразования и предполагающей изменение начального расстояния между градиентными линзами и начальную установку решеток относительно друг друга с допуском, составляющим не более 10 % периода решетки (то есть порядка 0,5 мкм), что трудно осуществимо практически.

В работе [1] рассмотрен также способ измерения перемещения, заключающийся в том, что формируют световой поток в виде пучка параллельных лучей, направляют его на фотоприемник, перекрывают шторкой, перемещающейся в соответствии с изменением измеряемого параметра и имеющей зеркальные грани, часть потока, отраженная от зеркальной грани шторки, направляется на другой фотоприемник, по интенсивности модулированных световых потоков судят об измеряемом перемещении. Недостатками данного способа измерения перемещения являются:

- отсутствие возможности измерения перемещения, перпендикулярного общему торцу оптических волокон;

- высокая чувствительность устройства, реализующего способ, к осевому смещению излучающего и приемного световодов;

- большие габаритные размеры устройства, реализующего способ, обусловленные необходимость расположения оптических волокон с трех сторон относительно шторки.

Авторами предложен новый способ измерения микроперемещения, лишенный перечисленных выше недостатков. Новый способ заключается в следующем [2]. Формируют световой поток в виде пучка параллельных лучей, направляют его на перемещающуюся поверхность, имеющую отражающую и поглощающую части, перемещающуюся в направлении 2, перпендикулярном центральной оси падающего светового потока, фиксируют оптическую мощность отраженного светового потока, пропорциональную поверхности пересечения отраженного светового потока и светочувствительной площадки приемника излучения, пучок лучей направляют на перемещающуюся поверхность вдоль направляющих полого усеченного конуса, у которого толщина стенок равна ширине пучка и равна 0,52шах^2шах, радиус малого основания конуса равен 2тах, радиус большого основания - (ХotgЭNA+Zmax), где 2тах - максимальное значение микроперемещения, (90-

©ыа) _ угол у основания конуса, Хо - расстояние от источника излучения до перемещающейся поверхности, Хо=dш/2ttfдNAf где йии - диаметр источника излучения. Световой поток, отраженный от отражающей части поверхности, ширина которой равна толщине стенок конуса, направляют на светочувствительную площадку приемника излучения под углом ©ш.

На рисунке 1 приведена расчетно-конструктивная схема ВОП перемещения (ВОПП), реализующего предложенный способ измерения.

ВОПП содержит подводящее оптическое волокно ПОВ 1, отводящее оптическое волокно ООВ 2, аттенюатор 3, имеющий поверхность с зеркальной 4 и поглощающей 5 частями. Аттенюатор 3 расположен на расстоянии Хо определяемом выражением (1), относительно общего торца подводящих и отводящих оптических волокон ПОВ 1 и ООВ 2.

хо=^в/2 1^9©млг (1)

где doвr ©ж - внешний диаметр и апертурный угол оптического волокна соответственно.

Зеркальная часть 4 выполнена в виде горизонтальной полосы шириной Ь, равной диаметру сердцевины dc оптического волокна, и верхняя граница которой установлена относительно оптической оси ПОВ при 2=0 на расстоянии Н, определяемом выражением (2)

Н=(^ъП- с^/2) . (2)

Предложенный способ измерения микроперемещения реализуется с помощью предлагаемого ВОПП следующим образом.

Световой поток Фо от ПОВ1 проходит в прямом направлении расстояние Хо до аттенюатора и расстояние Хо в обратном направлении до ООВ 2 под апертурным углом ©ыа к оптической оси волокна (см. рисунок 1) . При этом в плоскости приемного торца ООВ 2 наблюдается освещенная кольцевая зона 5а-а шириной Ь=2гс, внешний и внутренний радиусы которой определяются выражениями (3) и (4) соответственно

RВНУТ=2(Х0t9©NA - Гс) , (3)

^ВНЕШ=2 Хо ^^0©ш г (4)

где Хо - расстояние от аттенюатора до оптических волокон 1 и 2, Гс - радиус сердцевины волокон.

В нейтральном положении, когда измеряемый параметр соответствует начальной точке диапазона измерения при 2=о аттенюатор, установлен относительно общего торца оптических волокон таким образом, чтобы освещенная кольцевая зона Бк полностью перекрывала поверхность Боов отводящего оптического волокна. Под действием измеряемой физической величины (например, давления) аттенюатор 3 перемещается на значение 2 относительно ПОВ 1 и ООВ 2, что ведет к изменению интенсивности светового потока Ф(2), поступающего далее по отводящему волокну ООВ 2 на приемник излучения.

При изменении измеряемого параметра аттенюатор перемещается в направлении 2 на 2=2±. При этом изменяется освещенная отраженным световым потоком площадь приемного торца ООВ, т.е. Snp=f(Z) .

Задача управления световым потоком в пространстве ВОПП состоит в том, чтобы обеспечить необходимые функцию преобразования Ф(2), динамический диапазон изменения оптического сигнала в диапазоне измерения и глубину модуляции оптического сигнала.

Функция преобразования Ф(Z) в наиболее общем случае имеет вид Ф(Е)=К(Е)Фо, (5)

где К (Z) - коэффициент передачи тракта "ПОВ - поверхность аттенюатора - ООВ"; Фо - световой по-

ток, введенный в зону измерения.

Очевидно, что при Фо=сопб^ поведение функции преобразования Ф(Z) будет оцениваться по поведению функции передачи оптического тракта, то есть коэффициента К (Z), в диапазоне измерения.

Рассмотрим, каким образом можно управлять поведением функции преобразования К=f(Z) с учетом геометрических построений, приведенных на рисунке 1.

Рисунок 1 - Расчетно-конструктивная схема волоконно-оптического преобразователя перемещения, реализующего предложенный способ измерения

Имеем

к

^ ОПР

К ^) = Р-^—

О у

(6)

где ^ Оцр - суммарная площадь приемных торцов ООВ, освещенная отраженным от зеркала световым

г=1

потоком; 1=1, 2 - количество ООВ; р - коэффициент отражения зеркальной поверхности аттенюатора; БК -площадь кольцевой зоны в плоскости приемных торцов ООВ;

$К=Я (R ВНЕШ - Р ВНУТ)г (7)

где Рвнеш, Рвнут - внешний и внутренний диаметры кольцевой освещенной зоны в плоскости ООВ. Подставив выражения (3) и (4) в (7), получим:

^к=4яГс(2Хоtg©NA -Гс), (8)

где Хо=П/21фт.

При В= |^ов Хо= <^ов /21д®НА; тогда Бк=4ягс(<Зов -Гс).

5пр представляет собой круговой сектор, образованный взаимным пересечением круга радиусом Гс и прямой АВ - хорды длиной а, соответствующей границе раздела отражающей и поглощающей поверхностей аттенюатора.

В соответствии с рисунком 1 имеем

г

2

О =с(—— $1па) (9)

ПР 2 180

но 8та=~0-2 2г с

а = 2агся1п^^,

с

соответственно

2г

(1о)

Где

к

-(гс—2.)2 =^2Гс2) -г2

(11)

а 2'

С учетом выражений (10) и (11) выражение (9) примет вид

-г2г 2 [

п

180

2aгcsin

2гЛ-- 21

—sin(2aгcsin

2гЛ. - 22

)

Коэффициент преобразования К(Z) с учетом выражений (5) и (9) определится следующим выражением:

К(Z)^

к

< 2 г=1

4жгс (2Х^вт — г с )

/

ч

X

г2

с

ж

Г 2агс$т

1 180

2гг2. — 2 2

- 8т(2агс8т

2гг2. — 2 2

) ]

. (13)

Коэффициент преобразования К(Z) зависит от расстояния Хо от торца ОВ до зеркальной отражающей поверхности и от расстояния Б между оптическими осями ПОВ и ООВ.

Графики зависимости К=f(Z) для перемещения аттенюатора с отражающей поверхностью в диапазоне Е = 0...200 мкм и Гс=100 мкм для разных Хо приведены на рисунке 2. Зависимость достаточно линейная. Некоторая нелинейность наблюдается на участках 0...40, 160...200 мкм, поэтому диапазон перемещения

аттенюатора относительно ОВ ограничен участком 40...160 мкм. Изменяя параметры Б, Хо можно целенаправленно управлять поведением функции К=f(Z). Управление конструктивными параметрами ВОПП в данном случае обеспечивает максимальную чувствительность преобразования при максимально достижимых линейности функции преобразования и глубине модуляции оптического сигнала.

- Х=0,8мм *—Х=0,9мм |

Рисунок 2 - Графики зависимости К=f(Z)

Относительное изменение интенсивности светового потока Ф/Фo=f(Z) в диапазоне измерения будет носить аналогичный характер.

На рисунке 3 в качестве примера приведена упрощенная конструкция волоконно-оптического датчика давления, в котором используется предлагаемый преобразователь.

Рисунок 3 - Упрощенная конструкция волоконно-оптического датчика давления, в котором используется предлагаемый ВОПП

Датчик содержит ПОВ 1, ООВ 2, аттенюатор 3, имеющий поверхность с зеркальной 4 и поглощающей 5 частями и жестко закрепленный на мембране 6. Мембрана 6 закреплена в штуцере 7, например, с помощью сварки. Оптические волокна жестко закреплены в корпусе 8 на расстоянии Хо, определяемом выражением (1), относительно рабочей поверхности аттенюатора 3. Для осуществления процесса юстировки оптических волокон относительно отражающей поверхности аттенюатора в конструкцию введена прокладка 9 переменной толщины. Корпус 8, прокладка 9 и штуцер 7 соединены между собой жестко, например, с помощью сварки.

Датчик работает следующим образом.

От источника излучения 10 (например, светодиода) световой поток Фо по ПОВ 1 проходит расстояние Хо в направлении к аттенюатору 3. Отраженный от зеркальной поверхности 4 световой поток проходит

расстояние Хо в обратном направлении до ООВ 2. Под действием измеряемого давления Р прогибается мембрана 6, при этом аттенюатор 3 перемещается на значение Z относительно ПОВ 1 и ООВ 2, что ведет к изменению интенсивности светового потока Ф^), поступающего по ООВ 2 на светочувствительную площадку приемника излучения 11 (например, фотодиода). Приемник излучения преобразует оптический сигнал в электрический.

Предложенный способ измерения микроперемещения достаточно просто реализуется в сравнении с известными способами, устройство для его осуществления - ВОПП имеет простую, надежную конструкцию, не требует сложных технологических, юстировочных и измерительных операций при изготовлении оптической части преобразователя, имеет дешевую компонентную базу: многомодовые оптические волокна. Соответ-

ственно, предлагаемое техническое решение не ведет к лишним материальным затратам.

Новый способ измерения микроперемещения может быть использован при измерении давления, перемещения, ускорения, параметров вибрации в условиях воздействия внешних дестабилизирующих факторов на изделиях ракетно-космической техники.

ЛИТЕРАТУРА

1 Бусурин В. И., Носов Ю. Р. Волоконно-оптические датчики: Физические основы, вопросы расчета и применения. - М.: Энергоатомиздат, 1990. -

2 Заявка на изобретение № 2005130853 МПК6 001 В 21/00 от 04.10.2005, МПК6 001 В 21/00. Способ измерения микроперемещения и волоконно-оптический преобразователь для его осуществления / А. Г. Пив-кин, Т. И. Мурашкина, Т. Ю. Крупкина