CC BY
130
Сергей Александрович Бростилов, Татьяна Ивановна Мурашкина, Татьяна Юрьевна Бростилова, Александр Юрьевич Удалов, Андрей Владимирович Архипов
ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ КАБЕЛИ ДЛЯ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ
г.Пенза, ГОУ ВПО «Пензенский государственный университет» г.Энгельс, ОАО ЭОКБ «Сигнал»
При финансовой поддержке в форме гранта Президента РФ молодым ученым
Предложены унифицированные конструкции волоконно-оптического кабеля для различных волоконно-оптических датчиков. Представлены возможные варианты расположения оптических волокон в волоконнооптическом кабеле.
Proposed unified design of fiber-optic cable for various fiber-optic sensors. Presents options for the location of optical fibers in fiber-optic cable.
Ключевые слова: волоконно-оптический датчик, кабель, оптические волокна, интенсивность
Keywords: fiber-optic sensors, cable, optical fibers, intensive
Важнейшими требованиями, предъявляемыми к современным информационно-измерительным системам (ИИС), являются повышенная надежность и точность измерений. При этом все чаще встречаются требования абсолютной искро- и взрывобезопасности, работоспособности в условиях воздействия сильных электромагнитных помех. ИИС на основе волоконной оптики в отличие от традиционных ИИС позволяют решить эти задачи. Применение волоконно-оптических датчиков (ВОД), отвечающих требованиям абсолютной искро- и взрывобезопасности, позволяет существенно повысить безопасность ИИС в целом.
Наиболее отработанными для применения в ИИС являются ВОД давления (ВОДД) отражательного и аттенюаторного типов, ВОДД на основе оптического туннельного эффекта, ВОД виброперемещения и линейного перемещения. Основные преимущества ВОД: простота конструктивного исполнения, возможность дифференциального преобразования оптических сигналов, существенно улучшающего метрологические характеристики датчика, а именно, повышение чувствительности, линейности функции преобразования и снижение дополнительных погрешностей, обусловленных изменениями мощности излучения источника излучения и изгибами кабеля.
В настоящее время при разработке новых измерительных устройств стремятся унифицировать конструкцию отдельных узлов и элементов.
Наиболее технологически унифицированным элементом ВОДД является волоконно-оптический кабель (ВОК). Кабель представляет собой опреде-
ленный набор оптических волокон (ОВ) в общей оболочке и два несущих элемента. Конструктивно-технологические решения ВОК должны обеспечивать защиту ОВ от повреждения во время изготовления, прокладки и эксплуатации ВОД.
В настоящее время отсутствуют серийно изготавливаемые ОВ для информационно-измерительной техники. Поэтому для этих целей используют ОВ, изготавливаемые для техники связи, или изготовленные ОВ по специальным заказам.
При разработке датчиков на основе амплитудной модуляции оптического сигнала целесообразно использовать ОВ с большой апертурой и максимально возможным диаметром поперечного сечения сердцевины для обеспечения ввода максимально возможной мощности от источника в зону восприятия.
В отличие от оптических кабелей для техники связи, которые изготавливаются на специализированных предприятиях по соответствующим ТУ или ОСТ, ВОК целесообразно изготавливать на предприятиях-изготовителях ВОД с целью обеспечения требуемых метрологических характеристик.
На основании анализа надежности ВОК необходимо отметить, что для повышения надежности ВОД в жестких условиях эксплуатации необходимо исключить неинформативные изгибы ВОК. Это возможно только в ВОД с открытым оптическим каналом.
В таких ВОД оптические волокна с одного конца объединены в один общий жгут, который подходит непосредственно к измерительному преобразователю. С противоположной стороны ОВ объединены в два жгута, один торец которых соединяется с источником излучения (ИИ), а другой - с приемником излучения (ПИ). Для реализации компенсационной и дифференциальной схем используют два приемника. Наиболее часто в качестве ИИ применяют инфракрасные светодиоды, в качестве ПИ - фотодиоды.
Возможно несколько вариантов расположения оптических волокон, например:
I вариант - четыре подводящих оптических волокна (ПОВ) и три отводящих оптических волокна (ООВ) (рисунок 1, а);
II вариант - три ПОВ и четыре ООВ (рисунок 1, б);
III вариант - одно ПОВ и шесть ООВ (рисунок 1, в).
Y
Y
ПО
ООВ4
ОО]
ПОВ
в)
Рисунок 1 - Варианты взаимного расположения оптических волокон
в общем торце ВОК
Максимальное значение интенсивности для модели (рисунок 1, а) превышает значение интенсивности для модели (рисунок 1, б) всего на 7%. Следовательно, целесообразно применять обе модели при проектировании волоконно-оптического преобразователя (ВОП).
Максимальное значение интенсивности для модели (рисунок 1, в) меньше значения максимальной интенсивности для моделей (рисунок 1, а, б) на величину порядка 50 %. Следовательно, не рекомендуется применять данную модель при проектировании ВОП.
Таким образом, при одном и том же количестве ОВ в жгуте, равном семи, эффективность вариантов б и в в 1,5 раза выше варианта а. Именно такое расположение волокон в общем торце ВОК обеспечивает максимальные чувствительность преобразования и выходную мощность оптического сигнала, так как каждое из излучающих волокон дает максимальный вклад в отклик ПИ.
Конструктивно-технологические решения и метрологические характеристики ВОД определяются взаимным расположением приемных и передающих пучков ОВ. Теоретически такое расположение может быть произвольным. На практике же реализуются в основном два варианта: когда торцы передающего и приемного пучков ОВ установлены под определенным углом
друг к другу или имеют общий плоский торец. Но установка торцов под углом в значительной степени затрудняет процедуру сборки датчика, поэтому чаще применяют второй вариант.
Приемный и передающий каналы должны быть выполнены как из отдельных волокон, так и в виде жгутов из них. Наибольшее распространение получили:
- жгуты со случайным распределением передающих и приемных волокон в общем торце;
- жгуты, в которых на общем торце группа ПОВ окружена группой
ООВ;
- жгуты, в которых на общем торце группа ПОВ расположена рядом с группой ООВ.
Коаксиальное расположение ОВ в жгуте ВОК получило наибольшее распространение как наиболее простое по технологии изготовления. Одновременно оно наиболее целесообразно с точки зрения технологической процедуры формирования необходимой структуры светового потока. Изменение взаимного расположения ОВ в жгуте ВОК позволяет изменять глубину модуляции оптического сигнала и чувствительность преобразования ВОДД.
Ниже приведены следующие конструкции кабелей и сферы их применения.
Таблица 1 - Конструкции волоконно-оптического кабеля
Дифференциальный волоконно-оптический датчик отражательного типа
Дифференциальный волоконно-оптический датчик c отражательным аттенюатором
Дифференциальный волоконно-оптический датчик аттенюаторного типа, волоконно-оптический преобразователь виброперемешений со сферической линзой
Дифференциальный волоконно-оптический датчик на оптическом туннельном эффекте
Дифференциальный волоконно-оптический датчик отражательного типа с компенсационным каналом
Волоконно-оптический сигнализатор уровня жидкости
В заключении отметим, что унифицированная конструкция кабеля позволяет использовать универсальный преобразователь сигналов для различных ВОД.
Библиографический список
1 Г ольдфарб "Волоконно-оптические кабели" Итоги науки и техники, сер. "Связь", т.6, 1990.
2 "Волоконно-оптические линии связи" Справочник. под ред. Свечни-кова С.В. и Андрушко Л.М., Киев “Тэхника”, 1988.
Справка об авторах
1 Мурашкина Татьяна Ивановна, Пензенский государственный университет, д.т.н., профессор каф. Приборостроение, г.Пенза, ул. Красная, 40, тел.(8412)36-84-59, timurashkina.pgu@mail.ru.
2 Бростилов Сергей Александрович, Пензенский государственный университет, аспирант каф. КИПРА, г.Пенза, ул. Красная, 40, тел.(8412)36-82-12, ser-brostilov@yandex.ru.
3 Бростилова Татьяна Юрьевна, Пензенский государственный университет, начальник группы метрологического мониторинга УСК, г.Пенза, ул. Красная, 40, тел.(8412)36-84-59 , tat-krupkina@yandex.ru.
4 Удалов Александр Юрьевич, Пензенский государственный университет, студент кафедры Приборостроение, г.Пенза, ул. Красная, 40
5 Архипов Андрей Владимирович, ОАО ЭОКБ «Сигнал»
им.А.И.Глухарева, 413119, г. Энгельс-19, Саратовская область.
