Особенности конструкции ВОД МС

 

При конструировании ВОД МС специалисты и разработчики, прежде всего, стремятся избежать роста номенклатуры датчиков, а также неоправданных временных и материальных затрат. Для этого необходимо обеспечить конструктивную и технологическую преемственность, то есть добиться максимальной унификации и стандартизации конструктивных элементов, узлов, материалов и т.п.

В рассматриваемом ВОД МС к таким компонентам необходимо отнести отражающую зеркальную поверхность (ЗП), ПОВ и ООВ, количественное соотношение которых в торцах волоконно-оптического кабеля определяется решаемой задачей. Изменение взаимного расположения ОВ относительно друг друга и изменение количественного соотношения ПОВ и ООВ сказываются на тех или иных характеристиках датчика, однако не составляют принципиального изменения в конструкторско-технологическом исполнении устройства.

Функциональная схема построения рассматриваемого ВОД МС может быть представлена следующим образом.

Модуляция оптического сигнала осуществляется за счёт перемещения под действием момента сил зеркально-отражающей поверхности ЗП. Перемещение осуществляется относительно торцов ПОВ и ООВ, расположенных в одной плоскости, параллельной ЗП.

Модуляция интенсивности светового потока при помощи ЗП происходит следующим образом (рис.1). Лучи света 1 и 2 от ПОВ проходят в прямом направлении путь до ЗП и обратно до ООВ под апертурным углом Θ_NA к оптической оси ОВ.

При этом в плоскости приемного торца ООВ наблюдается освещённая кольцевая зона шириной h=2∙r, внешний радиус которой

 

R_внеш = 2∙x_i∙tgΘ_NA,

 

где x_i – текущее значение расстояния от ЗП до волоконно-оптического кабеля (ВОК),

r – радиус сердцевины ОВ.

Под действием момента сил ЗП перемещается относительно общего торца ВОК в направлении X. При этом изменяется положение кольцевой зоны относительно ООВ в направлении Z, перпендикулярном X. Это изменение, в свою очередь, ведёт к изменению площади S_пр приёмного торца ООВ, освещенной отражением от ЗП световым потоком, то есть

 

S_пр = f(x_i)

 

Происходит преобразование

 

 

X → Z → S_к; S_к → → Φ(x)

↑

Φ₀

 

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

Функция преобразования Φ(x) имеет вид:

 

Φ(x) = K(x)∙Φ₀,

 

где K(x) – коэффициент передачи тракта «ПОВ – ЗП – ООВ»,

Φ₀ – световой поток, введенный в зону измерения.

Рассмотрим, каким образом можно управлять поведением функции K(x).

Функция K(x) для преобразователя отражательного типа имеет вид:

 

K(x) = K_ис · K_сп · K_ип(x),

 

где K_ис – коэффициент передачи тракта «источник излучения – ПОВ»,

K_сп – коэффициент передачи тракта «ООВ – приёмник излучения»,

K_ип(x) – функция преобразования измерительного преобразователя (ИП)

 

K_ип(x) = K₁ · K₂(x),

 

где K₁ – коэффициент, характеризующий распределение освещённости в зоне измерения; принимаем, что зона измерения освещена равномерно, то есть K₁=1,

K₂(x) – передаточная функция тракта «ПОВ – ЗП – ООВ»

,

где ρ – коэффициент отражения ЗП.

 

где n – количество ООВ,

S_к – площадь использованной зоны в плоскости приемных торцов ООВ.

Окончательно получим:

 

в свою очередь

 

,

S_пр = S₁ + S₂,

 

где площади S₁ и S₂ представляют собой круговые сектора, образованные взаимным пересечением трёх линий: двух окружностей, с диаметрами соответственно 2∙r_с (диаметр сердцевины ОВ) и 2∙R (внешний диаметр освещённой круговой зоны, образованной отраженными лучами в плоскости торца ОВ), и хорды длины a, равной

где D – расстояние между центрами ПОВ и ООВ.

Окончательный коэффициент K₂(x) принимает вид

 

Из последнего выражения следует, что K₂(x) зависит от x_i (определяющее a и R) и D, а также от количества ООВ i = 1.. n.

Что касается коэффициентов K_ис и K_сп, то при соединении с единичным ОВ коэффициент ввода K_ис пропорционален квадрату числовой апертуры ОВ

 

,

 

где K_у – коэффициент упаковки K_у ≈ 1

Поскольку числовая апертура меньше единицы (от 0,14 до 0,5), то значительное количество излучаемой мощности может теряться на входном соединении. Отсюда

 

K_ис ≈ 0,1..0,3

 

В свою очередь K_сп обеспечивается высокой эффективностью ввода излучения в приёмник излучения, что позволяет принять K_сп = 1.

 

Окончательно имеем

 

Φ(x) = K_ис ∙K₂(x)∙Φ₀,

 

K_ис и K₂(x) определены выше.

Переменный параметр

x_i = x₀ – δ,

где δ – измеряемое смещение ЗП,

x₀ – начальное расстояние ЗП от торцов ПОВ и ООВ.

Как показывают теоретические и экспериментальные исследования, энергетическая освещённость ЗП зависит от выбора расстояния x₀. Существует некоторое предельное значение x₀₁, при котором освещённость ЗП от источника излучения близка к равномерной.

При x₀ > x₀₁ это условие сохраняется. Выбор x₀ имеет большое практическое значение.

Начальное расстояние x₀ можно определить графически. Для этого по уравнению

 

Φ(x) = K_ис ∙K₂(x)∙Φ₀

 

строится зависимость Φ(x) = f(x_i).

График данной зависимости имеет вид

 

 

На графике выбирается наиболее линейный и крутой участок ab. Тогда x₀ соответствует точка b. Так как основным параметром, определяющим изменение интенсивности светового потока в процессе измерений, является расстояние x₀ между ЗП и общим торцом ВОК, а чувствительность преобразования определяется начальным расстоянием x₀, то этот параметр положен в основу конструктивной устройства по другим его параметрам.

Из выше изложенного следует, что применительно к измеряемому смещению δ полученное выражение следует записать в виде

 

Φ(δ) = K_ис ∙K₂(x₀ - δ),

 

То есть вместо переменной x_i следует рассматривать значения переменной δ_i,

 

x_i = x₀ – δ_{i .}

 

При определении оптимальных конструктивных параметров рассматриваемого датчика следует так же определить количество и взаимное расположение ОВ и ВОК.

Конструкция и метрологические характеристики ВОДМ отражательного типа определяются взаимным пространственным расположением приемных и передающих пучков ОВ.

Наибольшее распространение получили жгуты трёх модификаций:

- жгуты со случайным распределением ПОВ и ООВ;

- жгуты, в которых на общем торце группы ПОВ окружена группой ООВ;

- жгуты, в которых на общем торце группа ПОВ расположена рядом с группой ООВ.

Изменение взаимного расположения ОВ в жгуте ВОК даёт возможность изменять глубину модуляции оптического сигнала и чувствительность преобразования ВОДМ.

При этом наиболее эффективным расположением ПОВ и ООВ при одном и том же количестве ОВ в ВОК является схема расположения ОВ, с 3 ПОВ и 4 ООВ.

 

ПОВ

 

ООВ

 

Очевидно, что окончательный выбор схемы расположения ПОВ И ООВ будем определять на основе имеющейся информации о заданных характеристиках измеряемого значения момента сил

В рассматриваемом датчике момента сил

, ,

где ℓ –

S –

L₂ –

Е –

Очевидно, что экспериментально измеренное значение δ будет определять диапазон измерения М при соответствующем выборе параметров ℓ, S, L₂, E, и чувствительность датчика, определяемую как dΦ/dM.

Таким образом, выбор x₀ ограничит диапазон измерений x значений δ и следовательно определит выбор других параметров датчика, связывающих δ с M.

 

Φ(M) = K_ис ∙K₂(x₀ - K∙M),

 

Таким образом, из вышеизложенного следует, что при проектировании ВОДМ основным вопросом является распределение плотности мощности по сечению пучка света, несущей информацию об измеряемом параметре, то есть точная математическая формализация параметра K₂(x₀ - K∙M).

Сложность решения данной задачи затрудняет точно обосновать оптимальное расположение в зоне измерений управляющих устройств (отражающих поверхностей), число ПОВ и ООВ, а также характеристики других элементов оптической системы. Однако данное направление разработки ВОДМ обосновано, а результаты экспериментов на лабораторной установке позволят обосновать основные теоретические представления о распределении плотности мощности оптического излучения в пространстве зоны измерений ВОДМ.