8.2.Вод проходящего типа

Второй способ характерен для ВОД проходящего типа, где поток излучения, выходящий с торца передающего ВС, направляется на торец приемного ВС. Изменение интенсивности принимаемого излучения происходит либо изменением взаимного расположения торцов под действием физической величины, либо изменением условий распространения потока между неподвижными каналами. В ряде случаев конструкция ВОД проходящего типа содержит дополнительное механическое звено, обеспечивающее преобразование физической величины в перемещение одного из каналов (рис.35,а).

Формирование отклика ВОД проходящего типа можно показать на примере с ортогональным перемещением торцов ВС (рис.35,б). Если торцы параллельны и оси совпадают, то поток, передаваемый к фотоприемнику, максимален. При ортогональном перемещении торцов начинается выход лучей, переносящих большую часть общего потока излучения за пределы торца приемного ВС. Однако эти потери частично компенсируются потоком, создаваемым лучами, переносящими меньшие элементарные потоки. Дальнейшее смещение приводит к тому, что уменьшается принимаемый поток. При еще больших смещениях это изменение становится более плавным. Из рис.35,б видно, что преобразование перемещений целесообразно вблизи точки перегиба yо на участке с наибольшей крутизной и линейностью.

Для ВОД проходящего типа наиболее характерными являются следующие основные способы получения измерительной информации:

ортогональное перемещение торцов (гидрофоны, датчики силы, ускорений, скоростей потока жидкостей и газов);

аксиальное перемещение торцов (датчики перемещений);

перекрытие проходящего потока (датчики линейных размеров, давления, разрушения режущего инструмента).

В большинстве случаев в ВОД проходящего типа каналы выполняются из отдельных ВС. Однако для измерения больших перемещений каналы представляют собой линейки ВС, ось которых совпадает с направлением перемещения каналов или перекрывающего поток звена.

В некоторых ВОД для повышения чувствительности на передающие и приемные торцы наносят растровые решетки с шагом 3... 10 мкм.

Для повышения чувствительности ВОД перемещений в зазоре между двумя ВС располагают шторки или маски, одна из которых неподвижна, а другая связана с контролируемым объектом.

В датчиках акустических воздействий маски закреплены на диафрагмах, движущихся при акустическом возбуждении (рис.36). Относительное смещение решеток в направлении, перпендикулярном плоскости рисунка, модулирует проходящий пучок света с глубиной модуляции

mм=2/(r_0cwГ),

где w угловая звуковая частота; r_0с акустический импеданс; Г _0 период решетки.

Пороговая чувствительность такого ВОД около 50 дБ на 1 мкПа.

Однако недостатком такого решения является малый динамический диапазон.

Наиболее перспективны в этом отношении ВОД с регистрацией оптических потерь, возникающих в протяженном ВС на микроизгибах за счет преобразования направляемых мод в волны высших типов, излучаемые в оболочку и пространство (рис.37). Между двумя профилированными пластинами помещается ВС. Выступы и канавки на пластине выполнены со строго рассчитанными закруглениями и с определенной периодичностью, зависящей от модовых характеристик проходящего по ВС излучения и структурных параметров ВС.

Значения потерь в ВС, вызванных изгибами и микроизгибами, модулируются действующим на пластины давлением. Глубина модуляции

dKвс dx

где Квс показатель прозрачности ВС; х величина взаимного смещения пластин; Р давление.

Приведенное соотношение записано в виде произведения двух производных, чтобы наглядно показать зависимость глубины модуляции от двух параметров. Первый из них определяется структурными факторами и свойствами ВС, а второй зависит от конструкции датчика.

Микроизгибные ВОД имеют относительно высокую чувствительность, но при больших значениях отклика их характеристика может быть нелинейной.

Высокие характеристики обеспечивают и ВОД с нарушением полного внутреннего отражения света [12]. Датчик состоит из разделенных зазором двух ВС, торцы которых срезаны наискось и расположены друг против друга (рис.38,б). Угол среза торцов ВС должен быть несколько больше угла QA полного внутреннего отражения Qкр, которое может испытать свет, падающий на поверхность торца изнутри ВС. В корпусе гидрофона конец одного из ВС помещают во втулке, жестко закрепленной в приборе, а второго ВС во втулке на пружинящем основании, соединенном плунжером с диафрагмой гидрофона (рис.38,а). Внешнее давление на диафрагму вызывает ее колебания, в результате чего один из торцов ВС смещается относительно другого.

Таким образом, возникает угловое рассогласование плоскостей торцов, а самое главное изменение ширины зазора между торцами. ВОД на фотоупругом эффекте и ВОД с нарушением полного внутреннего отражения не получили заметного распространения [10].

Большой интерес представляют поляризационные датчики на основе ВС с W профилем (WВС), обладающие средним и малым значениями двулучепреломления, а также малыми потерями на изгибах и микроизгибах.

При нарушении симметрии сердцевины ВС возникают две основные (НЕ11) моды, у которых поперечное электрическое поле одной параллельно хнаправлению (НЕ11х мода), а другой унаправлению (НЕ11у мода). Разность распространения ортогональнополяризованных мод (двулучепреломление)

Db=bx _0 bу

определяется постоянными распространения bx и by соответственно по х и у осям и не зависит от координаты Z оси ВС.

Интенсивность каждой моды для х и у направления [50]

Jx=Jo [1 a_52 _0sin_52 (bz/a)];

Jy=a_52_0Jo_0sin_52_0(bz/a),

где b коэффициент связи мод,

a=1/?_01+(Db_0/2b)_52.

Передача значительной доли мощности от одной моды к другой происходит на длине, равной половине длины биений p_0/Db_0. Воздействие внешних физических полей, способных изменить симметрию сердцевины ВС, приводит к изменению Db и соответственно мощностей мод.

В [50] описан ВОД гидростатического давления (рис.39). В качестве источника излучения использован полупроводниковый ИЛ с внешним резонатором на основе InP/InGaAsP с длиной волны 1,3 мкм.

Блок синхронизации обеспечивал генерацию ИЛ оптических импульсов длительностью не более 1 нс. Сколлимированное микрообъективом излучение ИЛ средней мощностью в 1 мВт направлялось в ВС.

Чувствительный элемент представлял отрезок WВС длиной l=1 м, намотанный на катушку диаметром 30 мм с профилями сечения, показанными на рис.40 при работе на сжатие (а) и растяжение (б). Катушку покрывали упругим резиновым покрытием. При воздействии внешнего гидростатического давления Р ВС либо прогибался, либо сжимался между ребрами жесткости. При этом в нем возникали аксиальные напряжения, приводящие к изменению двулучепреломления Db и соответственно DJ=Jx Jy.

Сколлимированное выходное излучение ВС направлялось на анализатор (призму Глана) с эффективностью 10_55. В ФПМ регистрировалось изменение интенсивности мод.

Экспериментальные данные (рис.41) показывают, что чувствительность ВОД

10lg(D_0J/Jo_0)

при работе на сжатие gP=67_010_52 дБ/(Па м) оказывается в 4 раза выше, чем на растяжение. Это обусловлено, повидимому, большей концентрацией давления по радиусу ВС изза меньшего радиуса кривизны его витков.

Чувствительность датчика зависит от диаметра полимерной защитной оболочки (см.рис.1). Так, при удалении защитного чехла на 30 см чувствительность ВОД на сжатие возрастает в 20 раз.

На работу рассмотренных ВОД влияют потери в трактах, соединениях и нестабильность оптической мощности источников излучения.

Поэтому для улучшения характеристик современные амплитудные ВОД строят по дифференциальным схемам (рис.42). Однако даже такие меры, значительно усложняющие ВОД, не позволяют получить с датчика амплитудного типа погрешность измерений менее 0,1 % и динамический диапазон порядка 10_54.