CC BY
127
Щевелев А.С., Логинов А.Ю., Мурашкина Т.И. МОДЕЛИРОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ С ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ЛИНЗОЙ
При создании волоконно-оптических датчиков (ВОД) вопрос эффективного использования светового потока источника измерения требует особого внимания, это обусловлено не только потерями при вводе излучения от источника излучения в оптическое волокно, но и существенными неинформативными потерями светового потока в зоне измерения. Это связано с тем, что принцип действия большинства модулирующих устройств ВОД основан на реализации только части светового потока, поступающего по подводящему оптическому волокну (ПОВ) в зону измерений. Потери при этом могут достигать 5... 10 дБ [1].
Эффективность использования модулирующих устройств может быть значительно увеличена, если повысить освещенность и снизить значение площади освещенной поверхности в плоскости расположения отводящего оптического волокна (ООВ). Таким модулирующим устройством является линза, свойства которой позволяют снизить площадь изображения торца ПОВ до необходимого значения площади на приемных торцах ООВ. Чтобы введение линзы в зону измерения не повлекло за собой увеличения габаритных размеров измерительного преобразователя, необходимо применить цилиндрическую линзу.
На рисунке 1 представлена расчетно-конструктивная схема измерительного преобразователя с цилиндрической линзой. Цилиндрическая линза расположена между подводящим и отводящими оптическими волокнами таким образом, что подводящее оптическое волокно (ПОВ), линза и одно из отводящих оптических волокон (ООВ) находятся на одной (сечение А-А), причем ПОВ расположено на расстоянии li относительно линзы, а ООВ -
на расстоянии l. Расстояния li и I2, радиус линзы Гл определяются на стадии проектирования из условия
оптимального согласования всех конструктивных элементов оптической схемы.
Модуляция светового потока при помощи цилиндрической линзы происходит следующим образом. Лучи света 6 и 7 излучающего торца ПОВ 2 выходят под апертурным углом 0NA и падают под углами ai и а2 на
сферическую поверхность линзы 1, где преломляются, проходят через тело линзы 1 под углами в 1 и в2 соответственно, вторично падают на противоположную поверхность линзы 2 под углами pi и p2, преломляются и под углами Yi и Y2 формируются в направлении приемных торцов ООВ 3 и 4. Изображение излучающего торца ПОВ 2 в плоскости А-А, где расположены приемный торец ООВ 3, представляет собой пятно в виде эллипса некоторой площади Биз.
Основная задача состоит в том, чтобы определить параметры измерительного преобразователя (ИП), обеспечивающие не только эффективный ввод излучения в ООВ, но и линейную функцию преобразования Ф = f (X) , максимальную чувствительность преобразования и глубину модуляции оптического сигнала, равномерное распределение освещенности в плоскости расположения приемного торца ООВ.
Для равномерного освещения и увеличения освещенности линза 1 должна находиться от излучающего торца ПОВ 2 на минимальном расстоянии, равном двум дистанциям формирования 1/ф светового потока [2]
Рисунок 1 - Расчетно-конструктивная схема измерительного преобразователя при модуляции светового потока с помощью цилиндрической линзы
2Ьф =.(1)
Так как увеличение расстояния между излучающим торцом ПОВ 2 и цилиндрической линзой 1 может привести к выводу линзы 1 из зоны освещения необходимо расположить ее не далее, чем:
Гц 0,5dС
кмлх =—Ц-------!С-ГЦ • (2)
ММ ММ Ц
Минимальное расстояние от ПОВ 2 до поверхности цилиндрической линзы 1 определяется следующим выражением:
м = ^
Излучающий торец подводящего оптического волокна относительно боковой поверхности линзы должен располагаться на расстоянии
1,5^ , гц 2dr
—1__к. < м < Ц_______— г (3)
tg®NA 1 И tS®NA Ц '
где dc - диаметр сердцевины оптического волокна; ©^ - апертурный угол оптического волокна; Гц - радиус цилиндрической линзы; а приемные торцы отводящего оптического волокна относительно боковой поверхности линзы расположены на расстоянии COS &m(2dc + ntg&m )
и
sin ©п
(4)
©«
® - 2
ЙВХ1 - 2
угол ввода излучения в отводящее оптическое волокно,
Л
sin(90 - ®NAX2dc + r4tg&NA ± tg®NAX)
sin(90 - ®na)(2dc + rJg®NA ± tg&NAX)
-©„
(5)
'ц пЦ)
где X - перемещение линзы в направлении оптической оси преобразователя; Пс, Пц - коэффициенты преломления среды между оптическими волокнами и линзой и материала линзы соответственно. Математическую основу ВОД составляет модель функции преобразования, Ф(Х) ВОП имеет вид
Ф(Х) = КФо (6)
где К - коэффициент передачи оптического тракта "ПОВ - линза - ООВ".
s
К - snp
S
(7)
k
где БЛр - освещенная площадь приемных торцов ООВ; Бк - площадь освещенной зоны в плоскости приемных торцов ООВ.
В соответствии с рассчитанными по формулам (6) и (7) параметрами оптической системы построена зависимость изменения интенсивности вводимого в ООВ излучения от значения перемещения (рисунок 2). Из приведенного графика функции Ф/Фо = £ (X) видно, что при перемещении цилиндрической линзы вдоль оси Х происходит изменение оптического сигнала, поступающего в ООВ, что доказывает физическую реализуемость предложенного способа модуляции оптического сигнала. В то же время малая чувствительность преобразования оптического сигнала при перемещении линзы в направлении Х, ставит задачу конструирования ВОПП с цилиндрической линзой, перемещающейся в направлении, перпендикулярном оптической оси ВОПП.
Ф/ Фп
Рисунок 2 - Зависимость Ф/Фо = £ (X)
Основные результаты и выводы
1 Определено, что при конструировании ВОПП цилиндрическую линзу следует располагать на расстоянии, при котором обеспечивается эффективный распределение светового потока в зоне модуляции оптического сигнала и равномерное распределение светового потока в зоне расположения цилиндрической линзы.
2 Определены конструктивные параметры оптической части ВОПП, при которых возможна модуляция оптического сигнала с помощью цилиндрической линзы.
3 Необходимо решить задачу конструирования ВОПП с цилиндрической линзой, перемещающейся в направлении, перпендикулярном оптической оси ВОПП.
ЛИТЕРАТУРА
1. Окоси Т., Окамато К., Оцу М. и др. Волоконно-оптические датчики; Под ред. Т. Окоси: Пер. с япон. Л.: Энергоатомиздат, Ленингр. отд-ние, 1990. 256с.
2. Бадеева Е.А., Гориш А.В., Котов А.Н., Мурашкина Т.И., Пивкин А.Г. Теоретические основы проектирования амплитудных волоконно-оптических датчиков давления с открытым оптическим каналом: Монография. - М.: МГУЛ, 2004. -246 с.
