Оптические элементы, используемые в волоконно-оптических датчиках

3.9.1. Входные окна

Входные окна фотоприемников предназначены для защиты фоточувствительного элемента от воздействия окружающей среды [44,45]. Они выполняются обычно в виде плоскопараллельных пластин или линз. Основные требования, предъявляемые к входным окнам, следующие:

- высокая механическая прочность,

- прозрачность в рабочем диапазоне спектра,

- устойчивость к воздействию климатических факторов,

- возможность вакуум-плотного соединения окна с корпусом фотоприемника.

3.9.2. Световоды

Световоды предназначены для:

- дистанционной канализированной передачи потока излучения на фоточувствительный элемент фотоприемника,

- разведения потока энергии от одного источника к нескольким фоточувствительным элементам,

- поворота плоскости изображения и т.д.

Световод представляет собой тонкий пруток с круглым, прямоугольным или другим сечением, состоящий из сердцевины с показателем преломления n_С и оболочки с показателем преломления с полированными торцами. От внутренней поверхности оболочки световода происходит полное отражение лучей, идущих внутри световода. Световод может быть выполнен в виде цилиндрической трубки с зеркальной внутренней полостью. Световод переносит изображение с поверхности входного торца на выходной торец с сохранением апертурных углов лучей падающего на нее пучка.

Если диаметр волокна d_С существенно превосходит длину волны l, то передача изображения вдоль волокна происходит на основе полного внутреннего отражения лучей от его боковой полированной поверхности (рис. 3.16) по законам геометрической оптики. Условно оптическим волокном называют световоды диаметром менее 100 мкм.

Передаваемую по волокнам информацию можно одновременно преобразовать, например, изменить масштаб изображения, устранить его дефекты, сгруппировать по другому элементы и т.п.

При полном внутреннем отражении излучение проходит, по волокну, испытывая потери в основном за счет поглощения в стекле. Светопропускание волокна не уменьшается и при его изгибе, если при этом углы падения лучей на боковую поверхность не окажутся меньше критических. Допустимый радиус кривизны . Из волоконных элементов делают жесткие, световоды, гибкие жгуты, пластины, диски, линзы, фоконы и т.п.

Волокна могут иметь различную форму (рис. 3.16), и для каждого из них числовая апертура будет определяться соответствующим выражением:

– для цилиндрического волокна с прямыми торцами в воздухе (рис. 3.16,а)

(3.61)

– для прямого волокна с косыми торцами (рис. 3.16,б)

, (3.62)

где α – угол скоса торца световода;

– для световода переменного диаметра (фокона), уменьшающегося в направлении распространения потока (рис. 3.16,в),

, (3.63)

где d₁ и d₂ – соответственно диаметр входного и выходного торцов фокона.

– для световода переменного диаметра (афокона), увеличивающегося в направлении распространения потока (рис. 3.16,г),

, (3.64)

где b¢ – угол конусности волокна.

Афокон по сравнению со всеми другими световодами при одинаковых значениях n_С и n_О имеет наибольшую апертуру. Свойства афоконов изменять апертурный угол пучка лучей и собирать их на малом (выходном) торце позволяет применять их для концентрации излучения.

3.9.3. Оптические фильтры

Оптический фильтрслужит для изменения спектрального состава или ослабления проходящего через него лучистого потока. Фильтры, изменяющие спектр излучения, называются спектральными, а фильтры, ослабляющие поток без заметного изменения его спектра, называются нейтральными.

Спектральный фильтр является важнейшим элементом спектральной селекции, позволяющей выделить излучение исследуемого объекта на фоне других источников излучения. Использование спектрального фильтра позволяет увеличить отношение сигнал/шум, хотя при этом абсолютное значение полезного сигнала за счет поглощения фильтром потока излучения несколько уменьшается.

Оптимальную спектральную характеристику фотоприемника можно получить, применяя селективно-поглощающие, отражающие, преломляющие, рассеивающие и интерференционные фильтры.

Фильтры, основанные на избирательном поглощении веществами излучения в одной или нескольких областях спектра, позволяют создавать коротковолновые и длинноволновые отрезающие фильтры. Такие фильтры являются пропускающими. Примерами таких фильтров являются фильтры из цветного оптического стекла, из полупроводниковых материалов: германия, кремния, сернистого свинца и других оптических материалов. С помощью таких фильтров трудно получить хорошую контрастность изображения и крутизну фронтов, поэтому для них часто используется просветление.

Действие рассеивающих фильтров основано на явлении рассеяния излучения частицами, размеры которых соизмеримы с длиной волны излучения. Пропускание такого фильтра будет минимальным при диаметрах частиц, примерно равных половине длины волны. Пропускание возрастает по мере того, как размеры частиц и длина волны становятся соизмеримыми. Для длин волн, больших размера частиц, фильтр становится прозрачным. Для изготовления рассеивающих фильтров используют порошкообразные вещества (окись цинка, окись магния и др.), нанесенные на прозрачные плоскопараллельные пластинки.

Используя явление интерференции света, можно получить спектральные интерференционные фильтры с очень хорошими параметрами. Такие фильтры состоят из тонкой пленки прозрачного диэлектрика, покрытой с обеих сторон полуотражающими металлическими слоями (рис. 3.17). Излучение, попадая в фильтр, при многократном отражении от полупрозрачных металлических слоев образует систему прошедших и отраженных лучей, интерферирующих между собой. Если разность хода двух соседних интерферирующих лучей равна l (что получается при толщине слоя диэлектрика, кратной l/2), то при сложении электромагнитных колебаний наблюдается усиление проходящего излучения.

Пропускание интерференционного фильтра с толщиной диэлектрического слоя, кратной l/2 падающего на фильтр излучения, будет максимальным для этого излучения. Изменяя толщину диэлектрика, можно изготовить фильтр для любого заданного участка спектра. Однако ширина полосы пропускания такого простейшего интерференционного фильтра будет довольно велика. Ее можно уменьшить, только увеличивая отражающую способность полупрозрачного металлического слоя за счет увеличения толщины этого слоя. Поэтому применяют в основном многослойные интерференционные фильтры, в которых металлические полупрозрачные пленки заменены несколькими слоями диэлектрических пленок, нанесенных на прозрачную пластинку. Число этих слоев может быть более 20.

Для уменьшения потерь на отражение широко используется просветление оптических элементов. Для этого на поверхность оптического элемента наносят тонкую пленку, показатель преломления которой n_пл меньше показателя преломления материала окна n_о.э. или фильтра:

(3.65)

Минимальные потери на отражение пленка будет иметь при толщине

, (3.66)

где d – оптическая толщина пленки, равная l/4 (l – длина волны излучения в той части спектра, в которой необходимо получить максимальное пропускание).

Пленка толщиной l/4 из вещества, имеющего показатель преломления , уменьшает коэффициент отражения излучения практически до нуля.

3.9.4. Иммерсионные линзы

Неравномерность чувствительности по приемной площадке для отдельных типов фотоприемников может достигать 20–30% максимального значения, что может вызвать изменения сигнала при перемещении изображения малоразмерного источника по чувствительному элементу. Для уменьшения влияния подобных эффектов используют конденсор, проектирующий на чувствительный элемент фотоприемника входной зрачок объектива оптической системы. Однако применение конденсора существенного выигрыша не дает, так как часть принимаемого излучения попадает на края и за пределы фоточувствительного элемента. Существенного улучшения энергетических характеристик оптико-электронных систем можно добиться при использовании так называемых иммерсионных линз (рис. 3.18). Фоточувствительный элемент располагается при этом непосредственно на конденсоре так, что между ними существует хороший оптический контакт. Это достигается либо путем напыления фоточувствительного слоя непосредственно на линзу, либо путем крепления фоточувствительного элемента к линзе при помощи очень тонкого слоя оптического клея. В этом случае конденсор называют иммерсионной линзой, а фотоприемник – иммерсионным.

Конструкция иммерсионной линзы и условия применения такого фотоприемника могут обеспечивать различный энергетический выигрыш в зависимости от назначения аппаратуры. На рис. 3.18,а показан фотоприемник с концентрической иммерсионной линзой. В нем даже сильно наклоненные лучи попадут на фоточувствительный элемент, так как он находится в непосредственном контакте с линзой. Луч, направленный в центр фоточувствительного элемента, проходит через центр линзы, так как поверхность линзы концентрична относительно центра элемента и этот луч не преломится. Лучи, направленные к краю фоточувствительного элемента, преломятся линзой и сфокусируются значительно ближе к центру. В результате этого при неизменном мгновенном поле зрения линейный размер фоточувствительного элемента Iф может быть уменьшен в n раз.

При использовании иммерсионной оптики линейный размер фоточувствительного элемента

, (3.67)

где d_вх – диаметр входного зрачка оптической системы; n – показатель преломления материала иммерсионной линзы; b – апертурный угол зрения фотоприемника; w – мгновенный угол зрения оптической системы, равный

, (3.68)

где A_Ф – площадь чувствительного элемента фотоприемника; f_ОБ – фокусное расстояние объектива оптической системы.

Уменьшение размера чувствительного элемента фотоприемника приведет к уменьшению его собственных шумов, так как они пропорциональны квадратному корню из площади элемента. Таким образом, при использовании в качестве иммерсионного элемента концентрической линзы возможно уменьшение площади фоточувствительного элемента в n² раз, собственный шум фотоприемника также уменьшится в n раз, а следовательно, и обнаружительная способность возрастет в n раз.

Кроме того, использование концентрической иммерсионной линзы позволяет (при сохранении размеров фоточувствительного элемента и значения обнаружительной способности) увеличить мгновенное поле зрения оптической системы в n раз

(3.69)

Облученность чувствительного элемента иммерсионного фотоприемника увеличивается и становится равной

(3.70)

где Е₀ – облученность фотоприемной площадки без иммерсионной линзы;

Коэффициент полезного действия иммерсионной линзы

(3.71)

где О – относительное отверстие объектива оптической системы, равное d_ВХ /f.

Применение гиперполусферической иммерсионной линзы (рис. 3.18,б), сконструированной с учетом требований, предъявляемых к аплантической оптике, позволяет уменьшить линейные размеры фоточувствительного элемента приемника в n² раз, в результате чего отношение сигнал / шум и обнаружительная способность системы увеличиваются также в n² раз. Однако при использовании гиперполусферической иммерсионной линзы из германия (n=4) нельзя применять оптику с относительным отверстием более 1:2.

Следует отметить, что если ограничение по шумам определяется радиационными шумами, то повышения обнаружительной способности за счет применения иммерсионной оптики не происходит.

Трудности осуществления оптического контакта между линзой и фоточувствительным элементом в реальных фотоприемниках не позволяют полностью реализовать возможный энергетический выигрыш, получаемый за счет оптического усиления. Например, при применении иммерсионной линзы из материала с высоким значением коэффициента преломления (например, из германия, для которого (n=4)), энергетический выигрыш будет определяться показателем преломления не линзы, а среды с наименьшим показателем преломления, т.е. склеивающей иммерсионной прослойкой (n=2.5¸3,2), так как излучение, попадающее на границу германиевая линза – иммерсионная прослойка под углом, превышающим угол полного отражения, не достигает поверхности фоточувствительного элемента. В данном случае оптические характеристики иммерсионного фотоприемника могут быть улучшены не только путем увеличения коэффициента преломления склеивающей прослойки, но и путем уменьшения ее толщины.

ГЛАВА 4. ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ

Задачи измерения давления

Давление является одной из основных величин, связанных с описанием поведения жидких и газообразных сред. Одна лишь энергетика потребляет большую часть выпускаемых промышленностью датчиков давления. В гидравлических, тепловых, ядерных и других энергетических установках необходим непрерывный контроль за давлением для обеспечения нормального режима работы, не говоря уже о риске разрыва стенок сосудов и трубопроводов и возникновения аварийных ситуаций.

В системах контроля технологических процессов датчики давления дают информацию о давлении сжатого воздуха, газа, пара, масла и других жидкостей, обеспечивающих надлежащее функционирование машин, механизмов и систем и протекание контролируемых процессов.

Одно из ведущих мест занимают датчики давления при экспериментальной отработке и штатной эксплуатации летальных аппаратов и двигательных установок. По данным отечественных и зарубежных источников измерение давлений составляет примерно половину из всех наземных и около трети летных измерений в ракетно-космической технике.

Большое разнообразие аппаратуры, в том числе и датчиковой, для измерения давлений объясняется тем, что понятие «давление» охватывает протяженную область значений – от сверхвысокого вакуума до сверхвысоких избыточных давлений. Оценивать величину давления можно как в абсолютных, по отношению к вакууму, так и в относительных, по отношению к атмосферному давлению, единицах; кроме того, результат измерения может быть разностью двух произвольных величин – двух разных давлений. Наконец, измерение давления может проводиться в различных средах, физические и химические характеристики которых весьма разнообразны.

Давление– это физическая величина, характеризующая воздействие усилия на единицу площади поверхности тела или условно выделенную внутри тела элементарную площадку.

Величина давления р жидкости или газа на стенку сосуда, который они полностью заполняют, определяется силой dF, действующей по нормали к элементу поверхности ds стенки сосуда:

(4.1)

На жидкость действует также сила тяжести. Поэтому, например, в случае столба жидкости, находящейся в открытой вертикальной емкости, давление в точке на расстоянии h от поверхности равно сумме атмосферного давления р₀ и массы столба жидкости, действующей на единицу площади:

(4.2)

где ρ – плотность жидкости; g – ускорение силы тяжести. Если на жидкости действует еще какое-либо ускорение, необходимо учитывать также влияние силы инерции на величину давления.

Атмосферное давление р₀, называемое барометрическим или гравитационным, является следствием земного притяжения, удерживающего частицы воздуха у поверхности Земли. На практике измерения осуществляются чаще всего относительно исходного атмосферного давления. Разность давлений внутри сосуда и атмосферного давления снаружи сосуда называется избыточным давлением, причем избыточное давление может быть как положительной, так и отрицательной величиной. Сумма барометрического и избыточного давления называется абсолютным давлением.

Барометрическое давление в разных слоях атмосферы зависит от высоты их расположения над уровнем моря и изменяется по экспоненциальному закону

(4.3)

где р₀ и р_Н – соответственно давления на уровне моря и на высоте Н от уровня моря; ρ₀ – плотность воздуха на уровне моря.

На рис. 4.1 показано изменение давления в атмосфере Земли в зависимости от высоты над уровнем моря.

Измерение давления в неподвижной жидкости или газе в замкнутых сосудах, полостях и трубопроводах сводиться к измерению силы F, действующей на поверхность S стенки, ограничивающей среду – объект измерения. В движущейся жидкости или газе различают три вида давления: статическое давление неподвижной среды р_s, динамическое давление р_d, обусловленное скоростью v движущейся жидкости или газа, и полное давление р, представляющее сумму этих двух давлений

(4.4)

Динамическое давление, действующее на поверхность, нормальную направлению течения, увеличивает статическое давление на величину

(4.5)

где v – скорость движения жидкости или газа; ρ – плотность среды.

Отдельной областью является измерения акустических давлений – знакопеременных давлений в газах и жидкостях в звуковом и ультразвуковом диапазонах частот. Датчики акустических давлений должны реагировать только на переменную составляющую измеряемого давления, т.е. на выходной сигнал не должно влиять атмосферное давление.

В твердом теле характер распространения давлений (напряжений) зависит от геометрической формы тела и площади контактирующей поверхности. Равномерное напряжение сжатия внутри твердого сплошного тела достигается только при воздействии давления со всех сторон, например погружения тела в сжатую жидкость или газ. Если же прижать друг к другу две плиты силой, действующей по центру, то давление, возникающее по площади соприкосновения, будет неравномерным – на периферии плит оно будет меньше, чем в центральной части из-за прогиба краев плиты.

Единицей измерения давления и напряжения в системе СИ является Паскаль – давление, вызываемое силой 1 Н, равномерно распределенной на поверхности 1 м² и нормальной к ней. Однако продолжают использоваться внесистемные единицы измерения давления, применение которых обусловлено практическими нуждами. В табл. 4.1 приведен перевод наиболее распространенных единиц измерения давления [1].

Таблица 4.1

Соотношения между единицами измерения давления

Единицы измерения давления	Па	бар	атм	кг∙с/см2	мм рт.ст.	мм вод.ст.	фунт/ дюйм2
Па		10-5	0,9869∙10-5	1,02∙10-5	0,75∙10-2	0,102	0,1451∙10-3
бар	105		0,9869	1,02		1,0165∙104	6,89∙10-2
атм		1,01325		1,034			0,68
кг∙с/см2	9,807∙104	0,9807	0,9672		7,35∙102	104	6,0703
мм.рт.ст. при 0°С	133,3	1,33∙10-3	1,315∙10-3	1,36∙10-3		13,6	51,69
мм.вод.ст. при +4 °С	9,84	0,9837∙10-4	0,9709∙10-4	10-4	0,0735		700,2
фунт/дюйм2		14,51	14,7	14,22	0,0193	0,143∙10 -2

В акустических измерениях уровень звукового давления газовой среды (дБ) обычно оценивается в относительных единицах согласно формуле

(4.6)

где р – эффективное значение акустического давления, Па; р₀=2∙10^-5 Па – давление, соответствующее величине интенсивности звукового порога.

Перевод единиц из одной системы в другую в соответствии с приведенной формулой приведен в табл. 4.2.

Таблица 4.2

Перевод единиц измерения давления

дБ	мкбар	кг·с/см2	Па
		2·10-6	0,2
		4·10-6	0,4
		8·10-6	0,8
		1,6·10-5	1,6
		2·10-5	2,0
		6,4·10-5	6,4
		2·10-4
	632,4	6,3·10-4	63,2
		2·10-3
		6,3·10-3	632,4
		2·10-2
		6,3·10-2
	2·105	0,2	2·104
	6,324·105	0,632	6,324·104
	2·106	2,0	2·105

Итак, все задачи измерения давления можно разделить на следующие основные группы: измерение абсолютного или избыточного давления и измерение разности давлений. Отдельно следует выделить задачи измерения давления газов в пределах не выше атмосферного – вакуумметрию и измерение звуковых волн в газовой и жидкостной среде − акустические измерения.

В зависимости от скорости изменения давления, т.е. характера зависимости р(τ), все разнообразие задач измерения давлений можно свести к трем вариантам: измерение статических и медленноменяющихся давлений, измерение быстроменяющихся давлений и измерение импульсных давлений.

В промышленности к группе статических принято относить давления, значение которых остается неизменным за время эксперимента или за время проведения измерений. Медленноменяющееся давление − это процесс, содержащий постоянную составляющую и гармонические составляющие с частотами до 20…30 Гц. К быстроменяющимся и импульсным давлениям относят процессы со случайными и гармоническими составляющими в частотном диапазоне от десятков до сотен тысяч Гц.

Характер изменения медленноменяющихся давлений во времени различен: ρ(τ) может представлять собой сложную функцию, постоянная составляющая которой аппроксимируется, например, трапециидальным импульсом с различными временами нарастания и спада при наличии вытянутого участка установившегося давления, сопровождаемого пульсацией давлений (рис. 4.2, а).

Быстроменяющееся давление (рис. 4.2,б) включают в себя периодически меняющиеся и переходные процессы. Пульсация давления жидкости и газа и акустические шумы часто представляют собой случайный колебательный процесс (рис. 4.2, в, г).

Импульсные давления имеют вид одиночных или периодически повторяющихся импульсов и характеризуются значительной амплитудой импульсов и короткими временами нарастания и спада процесса. Чаще всего эти процессы не имеют постоянной составляющей (рис. 4.2, д–ж).

Наиболее жесткие метрологические требования предъявляются к датчикам и системам, измеряющим статические и медленноменяющиеся процессы. Это объясняется тем, что датчики должны с допускаемыми погрешностями одновременно измерять переходные процессы и установившиеся давления, сопровождаемые пульсацией. Эти требования противоречивы и во многих случаях трудно совместимы в одном датчике, так как для измерения переходных процессов с малой погрешностью необходима высокая частота собственных колебаний и малая степень успокоения, а для малой погрешности измерения установившегося давления, сопровождаемого высокочастотной пульсацией − необходима низкая частота собственных колебаний и большая степень успокоения.

Датчики, предназначенные для измерения быстроменяющихся и пульсирующих давлений, должны обладать малыми динамическими погрешностями, т. е. высокой частотой собственных колебаний и отсутствием механических и электрических резонансов в рабочем диапазоне частот измерения давлений и дестабилизирующих факторов. При этом для обеспечения допускаемых динамических погрешностей системы в целом каждый элемент системы (датчик – усилитель – преобразователь – регистратор) должны быть согласованы по частотным диапазонам измерений.