Расчет преобразовательной характеристики волоконно-оптического преобразователя - датчика давления амплитудного типа

РГЗ по дисциплине:

 микрооптика

Новосибирск 2010.

Постановка задачи:

Рассчитать преобразовательную характеристику волоконно оптического преобразователя -  датчика давления амплитудного типа.

Схема преобразования энергии:

1)  Изменение давления

2)  Прогиб отражающей мембраны

3)  Изменение интенсивности светового потока в приемном волокне

4)  Изменение фототока на фотодиоде

5)  Изменение выходного напряжения сенсора

Целью данной работы является расчет волоконно-оптического преобразователя (переход 2-3)

Принципиальная схема датчика:

Оба волокна имеют круглое сечение и одинаковый радиус, их торцы лежат в одной плоскости, причем параллельной плоскости микрозеркала. Отражение считаем зеркальным, потерями на границе раздела  «волокно – воздух » и прочими пренебрегаем.

Ниже приведена схема, объясняющая зависимость интенсивности светового потока в приемном волокне от взаимного расположения оптических волокон и отражающей поверхности:

Считаем, что в отраженном пятне  в любой плоскости, перпендикулярной оси светового луча интенсивность светового потока не зависит от координат. Характер прохождения оптического излучения считаем соответствующим законам геометрической оптики.

L/2 – расстояние  от плоскости зеркала  до плоскости, в которой лежат торцы оптических волокон;

a - расстояние  между осями волокон;

θ –угол расхождения светового пучка =22.5^о;

R – радиус светового пятна на расстоянии L от торца излучающего волокна.

a=5E-3 м;

h=4E-5 м; - толщина микрозеркала.

Диаметр сердцевины = 4.5Е-5 м;

Диаметр волокна с оплеткой: 1.2Е-4 м;

Плоскость торцов волокон и плоскость зеркала строго параллельны.

Построить графики зависимости выходного сигнала от приведенного расстояния:

a=3r; 10r; 20r;

Реализация поставленной задачи:

                                     (2.9)

где I₁₁ - интенсивность потока оптического излучения, падающего от источника на торец излучающего волокна,  I₂₂ -  интенсивность потока оптического излучения, падающего на фотоприемник.

При соблюдении описанных выше условий функция преобразования оптической модуляции для амплитудных волоконно-оптических датчиков давления рефлектометрического типа с вариабельными  свойствами и характеристиками будет определяться как: 

                                          (2.10)

где      ,     ,  

I₂₂, I₁₁ – интенсивности светового потока, падающего на фотоприемник и испускаемого источником излучения соответственно,r  –  радиус сердцевины волокон; L/2 – расстояние  от плоскости микрозеркала  до плоскости, в которой лежат торцы оптических волокон; a - расстояние  между осями волокон; θ – угол  расхождения  светового  пучка.

Преобразовательная характеристика ведет себя следующим образом. До тех пор,  пока  на торец приемного волокна  не  падает  оптическое излучение, I₂₂ =0 . Затем, по мере роста площади освещенной части  торца приемного волокна, начинают действовать два конкурирующих процесса: уменьшение интенсивности потока оптического излучения, падающего на торец приемного волокна из-за роста площади светового пятна (и, как следствие, падение интенсивности потока оптического излучения, падающего на фотоприемник) и рост интенсивности светового потока на фотоприемнике из-за увеличения освещенной площади торца  приемного волокна, причем второй процесс резко перевешивает первый. В какой-то момент времени зависимость выходного сигнала (тока или напряжения) от величины L начинает квазилинейно расти.  Затем, когда торец приемного волокна полностью освещен, а L продолжает увеличиваться, интенсивность светового потока (и вместе с ней выходной сигнал с фотоприемника) начинает падать пропорционально 1/ L².

На рисунке приведены  графики описанных    выше зависимостей (изменяющийся параметр a).

Можно отметить, что с ростом «a» график преобразовательной характеристики смещается в сторону больших значений L, при этом уменьшается по абсолютной величине интенсивность светового потока I₂ и коэффициент оптического преобразования (отношение выходного сигнала к расстоянию от излучающего до приемного волокна), увеличивается  длина квазилинейного участка.

С ростом угла  «θ» рабочие (квазилинейные) участки характеристик смещаются к началу координат.

Далее приведен листинг реализации задачи в MathCAD:

Как видно из графиков F(x), F1(x),F2(x) – зависимости выходного сигнала от приведенного расстояния и G(x) – зависимостей выходного сигнала с учетом площадей перекрытия Выходной сигнал сенсора  оправдывает ожидания: быстро возрастает и плавно падает, и имеет две квазилинейные области, пригодные для применения в сенсорах.

А также видно, что с увеличением расстояния между волокнами, передаточная характеристика смещается вправо, с падением пика.

Используемая литература:

1)  Бялик А.Д.  диссертация - «Разработка и исследования амплитудных волоконно-оптических датчиков давления» глава 2.