3.2.1. 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), подводящие оптические волокна (ПОВ) и отводящие оптические волокна (ООВ), количественное соотношение которых в торцах волоконно-оптического кабеля (ВОК) определяется решаемой задачей. Изменение взаимного расположения ОВ относительно друг друга и количественного соотношения ПОВ и ООВ сказываются на тех или иных характеристиках датчика, однако не вносят принципиального изменения в конструкторско-технологическое исполнение устройства.

Модуляция оптического сигнала в ВОД МС отражательного типа осуществляется за счёт перемещения под действием момента сил зеркально-отражающей поверхности (ЗП) относительно торцов ПОВ и ООВ ВОК, расположенных в одной плоскости, параллельной ЗП.

Модуляция интенсивности светового потока при помощи ЗП происходит следующим образом (см. рис.3.1).

Лучи света 1 и 2 от ПОВ проходят путь до ЗП и обратно до торца ВОК под апертурным углом Θ_NA к оптической оси ОВ, (рис. 3.1, а).

При этом в торцевой плоскости ВОК наблюдается кольцевая зона шириной h=2∙r_с, освещающая торец (торцы) ООВ, где r_c – радиус сердцевины ОВ.

Распределение интенсивности света в кольцевой зоне принято считать равномерной.

Внешний радиус зоны равен

R_внеш = 2∙x_i∙tgΘ_NA,

где x_i – текущее значение расстояния от ЗП до торцевой грани ВОК, (рис 3.1, б).

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

S_пр = f(x_i)

Происходит преобразование

X → Z → S_к ; S_пр → → Φ(x),

↑

Φ₀

где S_к – площадь кольцевой зоны в плоскости торца ВОК,

Ф₀ – световой поток, введённый в зону измерения.

Ф(X) – функция преобразования.

Рис 3.1. Распределение интенсивности светового потока в плоскости отражающей поверхности (а), в зоне торцевых граней ООВ (б), одного торца ООВ (в).

3.2.2. Способ выделения полезного сигнала

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

Функция преобразования Φ(x) имеет вид:

Φ(x) = K(x)∙Φ₀, (1)

где K(x) – функция передачи тракта «ПОВ – ЗП – ООВ».

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» (в зоне измерений)

,

где ρ – коэффициент отражения ЗП,

где n – количество ООВ,

Окончательно функцию преобразования (1) можно представить в виде

, (2)

в свою очередь

S_K=π∙R²_внеш - π∙R²_внутр,

с учётом того, что

R_внутр=2∙(x_i∙tg _NA−r_c),

получаем

S_K=4∙π∙r_c∙(2∙ x_i∙tg _NA−r_c),

S_пр = S₁ + S₂,

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

,

где D – расстояние между центрами ПОВ и ООВ, (рис.1, в).

Окончательно коэффициент K₂(x) принимает вид:

, (3)

Из последнего выражения следует, что K₂(x) зависит от x_i и a, 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

, (4)

где K_у – коэффициент упаковки световодов в кабеле. K_у ≈ 1, что означает почти полное отсутствие потерь, связанных с попаданием света от источника к торцам ПОВ.

Поскольку числовая апертура меньше единицы (от 0,14 до 0,5), то значительное количество излучаемой мощности может теряться на входном соединении, то есть при сопряжении источника излучения с подводящим световодом (ПОВ). 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) = Φ₀∙K_ис ∙K₂(x), (5)

K_ис и K₂(x) определены выше, см. выражения (4) и (3).

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 определении оптимальных конструктивных параметров рассматриваемого датчика следует также определить количество и взаимное расположение ОВ в ВОК.

Наибольшее распространение получили жгуты трёх модификаций:

 жгуты со случайным распределением ПОВ и ООВ;

 жгуты, в которых на общем торце группа 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 ВОД МС.

При этом наиболее эффективным расположением ПОВ и ООВ при одном и том же количестве ОВ в ВОК является схема представленная на рис. 3.2.

ПОВ

ООВ

Рис. 3.2. Наиболее эффективная схема расположения ПОВ и ООВ в ВОК

Очевидно, что окончательный выбор схемы расположения ПОВ И ООВ будет определён на основании имеющейся априорной информации о заданных характеристиках измеряемого момента сил М.