CC BY
90
Бростилов С.А., Бростилова Т.Ю.
ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет», Пенза, Россия
ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ КАБЕЛИ ДЛЯ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ
Важнейшими требованиями, предъявляемыми к современным информационно-измерительным системам (ИИС), являются повышенная надежность и точность измерений. При этом все чаще встречаются требования абсолютной искро- и взрывобезопасности, работоспособности в условиях воздействия сильных электромагнитных помех. ИИС на основе волоконной оптики в отличие от традиционных ИИС позволяют решить эти задачи. Применение волоконно-оптических датчиков (ВОД), отвечающих требованиям абсолютной искро- и взрывобезопасности, позволяет существенно повысить безопасность ИИС в целом.
Наиболее отработанными для применения в ИИС являются ВОД давления (ВОДД) отражательного и аттенюаторного типов [4], ВОДД на основе оптического туннельного эффекта [3], ВОД виброперемещения и линейного перемещения. Основные преимущества ВОД: простота конструктивного исполнения, возмож-
ность дифференциального преобразования оптических сигналов, существенно улучшающего метрологические характеристики датчика, а именно, повышение чувствительности, линейности функции преобразования и снижение дополнительных погрешностей, обусловленных изменениями мощности излучения источника излучения и изгибами кабеля.
В настоящее время при разработке новых измерительных устройств стремятся унифицировать конструкцию отдельных узлов и элементов.
Наиболее технологически унифицированным элементом ВОДД является волоконно-оптический кабель (ВОК) . Кабель представляет собой определенный набор оптических волокон (ОВ) в общей оболочке и два несущих элемента. Конструктивно-технологические решения ВОК должны обеспечивать защиту ОВ от повреждения во время изготовления, прокладки и эксплуатации ВОД.
В настоящее время отсутствуют серийно изготавливаемые ОВ для информационно-измерительной техники. Поэтому для этих целей используют ОВ, изготавливаемые для техники связи, или изготовленные ОВ по специальным заказам.
При разработке датчиков на основе амплитудной модуляции оптического сигнала целесообразно использовать ОВ с большой апертурой и максимально возможным диаметром поперечного сечения сердцевины для обеспечения ввода максимально возможной мощности от источника в зону восприятия.
В отличие от оптических кабелей для техники связи, которые изготавливаются на специализированных предприятиях по соответствующим ТУ или ОСТ, ВОК целесообразно изготавливать на предприятиях-изготовителях ВОД с целью обеспечения требуемых метрологических характеристик.
На основании анализа надежности ВОК необходимо отметить, что для повышения надежности ВОД в жестких условиях эксплуатации необходимо исключить неинформативные изгибы ВОК. Это возможно только в ВОД с открытым оптическим каналом.
В таких ВОД оптические волокна с одного конца объединены в один общий жгут, который подходит непосредственно к измерительному преобразователю. С противоположной стороны ОВ объединены в два жгута, один торец которых соединяется с источником излучения (ИИ), а другой - с приемником излучения (ПИ). Для реализации компенсационной и дифференциальной схем используют два приемника. Наиболее часто в качестве ИИ применяют инфракрасные светодиоды, в качестве ПИ - фотодиоды.
Возможно несколько вариантов расположения оптических волокон, например:
I вариант - четыре подводящих оптических волокна (ПОВ) и три отводящих оптических волокна
(ООВ) (рисунок 1, а);
II вариант - три ПОВ и четыре ООВ (рисунок 1, б);
III вариант - одно ПОВ и шесть ООВ (рисунок 1, в).
Рисунок 1 - Варианты взаимного расположения оптических волоконв общем торце ВОК
Максимальное значение интенсивности для модели (рисунок 1, а) превышает значение интенсивности для модели (рисунок 1, б) всего на 7%. Следовательно, целесообразно применять обе модели при проектировании волоконно-оптического преобразователя (ВОП).
Максимальное значение интенсивности для модели (рисунок 1, в) меньше значения максимальной интенсивности для моделей (рисунок 1, а, б) на величину порядка 50 %. Следовательно, не рекомендуется применять данную модель при проектировании ВОП.
Таким образом, при одном и том же количестве ОВ в жгуте, равном семи, эффективность вариантов б и в в 1,5 раза выше варианта а. Именно такое расположение волокон в общем торце ВОК обеспечивает максимальные чувствительность преобразования и выходную мощность оптического сигнала, так как каждое из излучающих волокон дает максимальный вклад в отклик ПИ.
Конструктивно-технологические решения и метрологические характеристики ВОД определяются взаимным расположением приемных и передающих пучков ОВ. Теоретически такое расположение может быть произвольным. На практике же реализуются в основном два варианта: когда торцы передающего и приемного пучков ОВ установлены под определенным углом друг к другу или имеют общий плоский торец. Но установка торцов под углом в значительной степени затрудняет процедуру сборки датчика, поэтому чаще применяют второй вариант.
Приемный и передающий каналы должны быть выполнены как из отдельных волокон, так и в виде жгутов из них. Наибольшее распространение получили:
- жгуты со случайным распределением передающих и приемных волокон в общем торце;
- жгуты, в которых на общем торце группа ПОВ окружена группой ООВ;
- жгуты, в которых на общем торце группа ПОВ расположена рядом с группой ООВ.
Коаксиальное расположение ОВ в жгуте ВОК получило наибольшее распространение как наиболее простое по технологии изготовления. Одновременно оно наиболее целесообразно с точки зрения технологической процедуры формирования необходимой структуры светового потока. Изменение взаимного расположения ОВ в жгуте ВОК позволяет изменять глубину модуляции оптического сигнала и чувствительность преобразования ВОДД.
Ниже приведены следующие конструкции кабелей и сферы их применения.
Таблица 1 - Конструкции волоконно-оптического кабеля
Дифференциальный волоконно-оптический датчик
ного типа
Дифференциальный волоконно-оптический датчик c отражательным аттенюатором
Дифференциальный
волоконно-оптический датчик
аттенюаторного типа,
волоконно-оптический
преобразователь
виброперемешений
со сферической линзой
Дифференциальный волоконно-оптический датчик на оптическом туннельном эффекте
ЛИТЕРАТУРА
1. Гольдфарб "Волоконно-оптические кабели" Итоги науки и техники, сер. "Связь", т.6, 1990.
2. "Волоконно-оптические линии связи" Справочник. под ред. Свечникова С.В. и Андрушко Л.М., Киев "Техника", 1988.
3. Модернизация ВОДД на основе туннельного эффекта / С. А. Бростилов, Т. И. Мурашкина, А. Г. Пивкин, О. С. Граевский // Надежность и качество : тр. Междунар. симп. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2009. - Т . 1. - С. 395-398.
4. Дифференциальный волоконно-оптический датчик давления с отражательным аттенюатором. Описание конструкции. Принцип действия / Т. Ю. Крупкина, Т. И. Мурашкина : тр. междунар. симпозиума
«Надежность и качество» 21-31 мая 2007. Т. 1. - Пенза : Инф.-изд. центр, 2007. - С. 339-341.
