4.3. Амплитудные преобразователи физических величин на основе нерегулярных световодов
Любой ОЭП можно рассматривать как совокупность элементарных преобразователей, осуществляющих последовательное преобразование измеряемой ФВ. При этом функция преобразования представляет собой произведение функций преобразования отдельных элементарных преобразователей.
Например, к группе преобразователей физических величин, сводимых к перемещению, относятся устройства, для которых на рис. 4.3 представлена схема основных преобразований. В ПП этой группы перемещение с помощью световодов с нерегулярными участками, возбужденных источниками излучения (оптико-механический элементарный преобразователь), и элементарных оптоэлектронных преобразователей (фотодиоды и т. п.) преобразуется в электрический сигнал. Наличие последних двух элементарных преобразований характерно для всех типов световодных ОЭП.
Как следует из рис. 4.3, в ОЭП перемещение непосредственно либо посредством деформации световода преобразуется в изменение его степени нерегулярности, что влечет за собой изменение интенсивности излучения у выходного торца.
В настоящее время, кроме ставшего традиционным применения световодов в системах связи и передачи информации (ССПИ), все большее распространение получает их использование в измерительной технике, в частности в первичных измерительных преобразователях (ОЭП) различных физических величин (ФВ).
Разработки амплитудных ОЭП на основе цилиндрических волоконных (ВСВ) и планарных (плоских) световодов (в этих ОЭП измеряемая ФВ вызывает изменение интенсивности оптического излучения) уже достигли промышленного уровня. Рассмотрим принципы построения таких ОЭП.
Рис. 4.3. Структура преобразований в ОЭП перемещения
Принцип действия амплитудных световодных ОЭП основан на зависимости характеристик нерегулярных участков световодов от измеряемой величины.
Регулярными принято считать прямолинейные световодные структуры, поперечное сечение и оптические свойства которых неизменны по всей длине. Невыполнение любого из указанных условий приводит к появлению нерегулярностей, таких как стык-разрыв, изгиб, микроизгибы, скрутка, изменения поперечного сечения или показателя преломления (ПП) вдоль оси, расположение на малом расстоянии от световода объектов, поглощающих энергию частично или полностью (связанные световоды).
Заметим, что нерегулярности в световодах, используемых в ССПИ, нежелательны, так как они вызывают уменьшение дальности связи и искажение сигналов.
Хотя большинство нерегулярностей достаточно подробно изучено при исследовании ССПИ, однако чаще всего влияние нерегулярностей не рассматривается с точки зрения их применения в ОЭП. Кроме этого, публикации по нерегулярностям весьма разрозненны, что затрудняет проектирование устройств на основе элементов волоконной оптики и их оптимизацию.
В настоящем работе обобщение и систематизация световодных ОЭП проводятся с точки зрения использования в них основных видов нерегулярностей и их проявлений.
4.3.1. Принципы построения амплитудных световодных оэп
Амплитудные ОЭП на основе нерегулярных световодов условно разделяют на следующие группы:
преобразователи ФВ, сводимые к перемещению;
рефрактометрические;
преобразователи на основе наведенных затухания или излучения (люминесценции);
резонансные.
К первой группе относятся устройства, в которых измеряемая величина преобразуется в перемещение. При этом восприимчивость световодов (изменение степени их нерегулярности) к измеряемому перемещению проявляется либо через деформацию световода, либо непосредственно. Ко второй группе относятся преобразователи, у которых преобразуемая ФВ изменяет ПП внешней среды или материала оболочки (сердцевины) световодной структуры. В преобразователях третьей группы ФВ, воздействуя на центры включений материалов световода, вызывает увеличение затухания излучения или его появление. К четвертой группе относятся ОЭП, в которых используются резонансные свойства участка световода, представляющего собой упругий элемент с распределенными параметрами.
Любой ОЭП можно рассматривать как совокупность элементарных преобразователей, осуществляющих последовательное преобразование измеряемой ФВ. При этом функция преобразования представляет собой произведение функций преобразования отдельных элементарных преобразователей.
В связи с наибольшей распространенностью ОЭП первых двух групп остановимся более подробно именно на них.
К группе преобразователей физических величин, сводимых к перемещению, относятся устройства, для которых на рис. 4.3 представлена схема основных преобразований. В ОЭП этой группы перемещение с помощью световодов с нерегулярными участками, возбужденных источниками излучения (оптико-механический элементарный преобразователь), и элементарных оптоэлектронных преобразователей (фотодиоды и т. п.) преобразуется в электрический сигнал. Наличие последних двух элементарных преобразований характерно для всех типов световодных ОЭП.
Преобразователи различных ФВ в механические, сводимые к перемещению, здесь не разбираются.
Как следует из рис. 4.3, в ОЭП первой группы перемещение непосредственно либо посредством деформации световода преобразуется в изменение его степени нерегулярности, что влечет за собой изменение интенсивности излучения у выходного торца.
Функция преобразования ОЭП в целом определяется
kоэп = k1k2 ... kN kQkMkОФkU,
где k1, k2 … kN – функции преобразования элементарных преобразователей ФВ в механические;
kQ – функция преобразования элементарного преобразования механической величины (силы, деформации) в перемещение;
kМ – функция преобразования элементарного механического преобразователя, осуществляющего преобразование перемещения в какой-либо геометрический параметр нерегулярности, например в радиус изгиба;
kОФ – функция преобразования элементарного оптико-физического преобразователя, осуществляющего преобразование геометрического параметра нерегулярности в интенсивность оптического излучения на выходе ВСВ;
kU – функция преобразования элементарного оптоэлектронного преобразователя, осуществляющего преобразование интенсивности оптического излучения в электрический сигнал.
Специфичная для световодных ОЭП функция преобразования может быть нелинейной, как это имеет место в преобразователях на основе изогнутых или микроизогнутых ВСВ. Поэтому, в ряде случаев возникает необходимость ее определения для получения полной математической модели световодных ОЭП.
К группе рефрактометрических преобразователей относятся устройства, в которых измеряемая ФВ вызывает появление или изменение степени нерегулярности световода через изменение ПП (рис. 4.4).
Рис. 4.4. Структура преобразований в рефрактометрических ОЭП
Преобразование ФВ в степень нерегулярности в рефрактометрических преобразователях может осуществляться через числовую апертуру и через дифференциальную оптическую длину, под которой подразумевается разность произведений ПП одной среды на геометрическую длину участка световода, помещенного в эту среду, и ПП другой среды на геометрическую длину участка световода, находящегося в данной среде. Такие возмущения воспринимаются ВСВ из-за различия коэффициентов потерь на указанных участках.
В связи с тем, что рефрактометрические преобразователи могут воспринимать и перемещения, их можно рассматривать как разновидность преобразователей ФВ, сводимых к перемещению.
Амплитудные ОЭП рефрактометрического типа просты по конструкции и обладают высокой чувствительностью. В основу их положены рефрактометры. Рефрактометрические ОЭП весьма универсальны – одно и то же устройство при незначительной модификации может использоваться для измерения различных ФВ.
Среди рефрактометрических ОЭП следует выделить собственно рефрактометры (измерители ПП), точечные сигнализаторы границы раздела сред с различными ПП, аналоговые и дискретные многоточечные измерители уровня жидких сред.
Все световодные ОЭП условно можно разделить на устройства с открытым и закрытым оптическими каналами. К первому типу относятся преобразователи, в которых даже в статике излучение выходит в среду. В некоторых таких устройствах модуляция излучения измеряемой величиной осуществляется вне световода. Ко второму типу относятся ОЭП, в которых измеряемая величина воздействует на излучение через изменения параметров самого ВСВ.
В связи с тем, что функции преобразования элементарных оптоэлектронных преобразователей (фотодиодов) обладают высокой линейностью и подробно рассмотрены в литературе, для построения математической модели световодных ОЭП необходимо знание функций преобразования элементарных оптико-физических преобразователей, т. е. коэффициентов передачи нерегулярных участков ВСВ (отношение мощности оптического сигнала на выходе нерегулярного ВСВ к мощности на выходе, как если бы световод был регулярным).