Московский государственный университет леса

Цель работы

Изучение принципа стабилизации выходных сигналов в волоконно-оптическом датчике (ВОД) линейных перемещений отражательного типа. Приобретение практических навыков теоретического и экспериментального исследования возможности стабилизации выходных сигналов в ВОД линейных перемещений отражательного типа,

Описание работы

В основе принципа стабилизации выходных сигналов в ВОД линейных перемещений отражательного типа лежит принцип построения ВОД линейных перемещений амплитудного типа с подвижным зеркалом, схема которого приведена на рис. 1.

1 - входное волокно

2 - выходное волокно

3 - разветвитепь

4 - зеркало

5 - торец спаренного

световода

6 - фотоприёмник

7 - источник излучения

Рис.1- Схема ВОД линейных перемещений с подвижным зеркалом

Датчик работает следующим образом.

Излучение от источника излучения интенсивностью J_oчерез входной торец волокна 1 попадает на зеркало 4, отражается от него на торец 5 спаренного световода 3 и далее попадает на фотоприемник 6, оптически связанный со световодом 2.

Интенсивность излучения J₁на выходе световода 2 связана с интенсивностью J₀ на входе световода 1 следующим соотношением

S₁ - площадь торцевой грани сердцевины световода,

S₀ - площадь основания конуса отраженных лучей в плоскости торца,

а- радиус сердцевины световода,

NA- числовая апертура световода,

К₁- коэффициент, учитывающий потери интенсивности излучения Jo на трассе от источника излучения до фотоприемника 6.

В общем случае величина коэффициента K₁ определяется из соотношения

К_b1- коэффициент ввода излучения в световод 1, учитывающий потери мощности излучения присопряжении источника излучения 7 с входным торцом световода 1,

K_n1 - коэффициент потерь мощности излучения в световоде на участке от входного торца световода 1 до торца 5 спаренного волоконного световода 3,

К_b2 -коэффициент ввода излучения на чувствительный элемент фотоприемника 6, учитывающий потери мощности излучения при сопряжении фотоприемника 6 с входным торцом световода 2,

К_omр - коэффициенты отражения от отражающей поверхности 4.

Согласно рис. 1, поток излучения с выходного торца волокна 2 фиксируется фотоприемником 6.

Сигнал Vi с выхода фотоприемника 6, в общем случае, описывается выражением

Vi ≈ R_λ1 Q₁ J₁

гдеR_λ1 - спектральная чувствительность фотоприемника 6,

Q₁- интегральная чувствительность фотоприемника 6.

Окончательно имеем: Vi ≈ R_λ1 Q₁

Vi ≈ R_λ1 Q₁ J₀ (К₁ а² π)/( а +2 ∆z (NA) )² π =

= R_λ1 Q₁ J₀ ( K_n1 К_omр К_b2 K_n1²а² π ) /( а +2 ∆z (NA) )² π ( 3 )

Из выражения (3) следует, что стабильность выходного сигнала Vi при заданных ∆z и NAявляется функцией стабильности всех остальных параметров. Если не предпринимать специальных мер по стабилизации этих параметров, то нестабильность выходного сигнала может быть существенной, что приводит к погрешности измерений и снижает их достоверность.

Для того чтобы исключить нестабильность выходного сигнала Viв схему ВОД, изображенную на рис. 1, вводится дополнительный световод со своими фотоприем-никами так, как это приведено на рис.2.

Рис.2, Схема ВОД с дополнительным световодом

Аналогично выражению (1), для интенсивности света J₂на выходе дополнительного световода 8, справедливо выражение:

J₂ = ( J₀ S₁) / (S₂ ) = J₀ ( K₁а² π ) /( а +2 ∆z (NA) )² π ( 4 )

где

S₂ -площадь освещенной части торца сердцевины дополнительного световода 8,

К₂ - коэффициент, учитывающий потери интенсивности излучения J_oна участке от источника излучения 7 до фотоприемника 9, фиксирующего излучение J₁.

Величина коэффициента К₂раскрывается в выражении (5):

К₂ = К_b1 K_n1 К_omр K_n8 К_b8 ( 5 )

где

К_п8 - коэффициент потерь мощности излучения в дополнительном световоде 8 на пути от его входного торца до выхода из световода 8,

К_b8 - коэффициент ввода излучения на чувствительный элемент фотоприемника 9, учитывающий потери мощности излучения при сопряжении фотоприемника 9 с выходным торцом световода 8.

Аналогично выражению (3), электрический сигнал V₂с выхода фотоприемннка 9 имеет вид

V₂ ≈ ( R_λ2 Q₂₁ J₀ ) (S₂ К_b1 К_omр K_n2 K_n1K_n8 К_b8 а² π ) / ( а +2 ∆z (NA) )² π ( 6 ),

Где

R_λ2- спектральная чувствительность фотоприемника 9,

Q_{2 1} - интегральная чувствительность фотоприемника 9.

На рис. За и 36 представлен вид функциональной зависимости V1=f(Js) и Y2=f(J])соответственно.

Рис. 3(а)

Рис. 3(б)

Как следует из рис. За, выходной сигнал с фотоприемника 6 имеет тенденцию монотонного уменьшения от максимального значения при минимальном ∆z_goдо некоторого минимального, которое экспоненциально будет стремиться к порогу чувствительности фотоприемника при максимальном ∆z.

Тенденции изменения выходного сигнала V₂ с фотоприемника 9, представленного на рис. 36, отлична от V₁: при минимальном ∆z, т.е. в начальный момент измерения, имеет место минимальное значение сигнала V₁.

Далее по мере увеличения ∆zфункция V₂ = f ( J₂ )возрастает до некоторого значения

V_2max = f ( J₂ ),

и затем монотонно убывает. Очевидно, что V_2тах достигает максимума в тот момент, когда вся поверхность входного торца световода 9 освещена после отражения излучения от зеркальной поверхности 4.

Рассмотрим соотношение

V₂ / V₁ = ( R_λ2 Q₂ J₂ ) / ( R₁ Q₁ J₁ ) ( 7 )

Подставляя в (7) значения Jjи J₂из выражений (3) и (5) получим

V₂ / V₁ = ( R_λ2 Q₂ S₂ K_n8 К_b8 J₂ ) / ( R₁ Q₁ K_n1 K_n2 а² π ) ( 8 )

Из выражения (8) следует, что отношение двух сигналов V₂ / V₁ не содержит такие основные параметры датчика, как J_oи К_оmр.Отсюда следует, что отношение двух сигналов V₂ / V₁ не зависит от основных дестабилизирующих факторов, а именно нестабильности интенсивности излучения источника света и нестабильности коэффициента отражения зеркальной поверхности.

Далее из выражения (8) так же следует, что если датчик линейных перемещений содержит идентичные фотоприемники, у которых R_λ1⁼ R _λ2иQ₁=Q₂, а световоды выполнены из одного и того же материала, т.е. K_n8 и К_п1 и при этом достигают одинаковых потерь при сопряжении световодов 2 и 8 с соответствующими фотоприемниками 6 и 9, т.е. обеспечивается равенство K_n8 = К_b8то выражение (8) приводится к виду

Р = V₂ / V₁ = S₂ / ( а² π ) ( 9 )

На рис.4 представлен общий вид выражения (9)

Рис. 4

Из рис.4 следует, что при некотором ∆z площадь S2 освещенной части торца сердцевины световода 8 равна площади самого торца, т.е.

S₂ = π r² , где

где r - радиус сердцевины.

Если r = а, то S₂ = π r² = π а² и ρ = 1.

Тогда, т.к. по мере дальнейшего роста ∆z > ∆z_ρ площадь S₂ остается постоянной, отношение Р = V₂ / V₁ перестает быть функцией ∆z, и выходной сигнал датчика, рассматриваемый как отношение Р = V₂ / V₁ стабилизируется, т.е. не зависит от ∆z в диапазоне ∆z > ∆z_ρ

В реальных условиях эксплуатации достигнуть условий идентификации параметров, о которых речь шла выше, не представляется возможным. Поэтому реально» выражение (8) будет иметь вид

Р = V₂ / V₁ = m S₂ / ( π а² )

где m - некоторый коэффициент неидентичности, который может быть больше или меньше единицы.

3. Лабораторная установка

Принцип стабилизации выходных сигналов в ВОД линейных перемещений отражательного типа поясняет структурная схема ВОД, (рис 5), где:

1 - источник излучения,

2 - соединители,

3 - спаренный световод,

4 - дополнительный световод,

5 - отражающая поверхность,

6 - винт,

7 - координатный столик,

8 - фотоприемник,

9 - регистрирующий прибор,

10 - формирователь отношения.

.

Рис.5 Структурная схема ВОД

Световой поток, распространяясь от источника излучения 1, через ответвитель 3 выходит из его торца в направлении отражающей поверхности 5. Отраженное излучение попадает на торец спаренного световода З и на торец дополнительного световода 4. Ответвитель спаренного световода и световод 4 сопряжены с фотопрнемником 8 ,электрически связанными с регистрирующим устройством прибором 9. По сигналам с дополнительного световода 4 и ответвителя спаренного световода формируется отношение Р = V₂/V|₁, как функция линейных перемещений ∆z.

4. Порядок выполнения работы

1. Соберите схему установки, как показано на рис. 5,

2. С помощью винта 6 на координатном столике 7 добейтесь такой взаимосвязи выходных торцов обоих световодов (3 и 4) и отражающей поверхности 5, чтобы выходной сигнал V₂ = f (∆z) был максимальным, a V₁ = f (∆z) ) - минимальным. Соответствующее значение ∆z зафиксируйте по шкале координатного столика.

3. С помощью винта 6 плавно изменяйте расстояние ∆z. Регистрируйте сигналы V и V₂, для текущего значения ∆z _i. ..

4. Построите графики: V1 = f( ∆z), V₂ = f (∆z). Найдите ∆z_max при V₂ = f(∆z_niax).

5. Найдите отношение Р = V₂/V₁ = f(∆z_max) и определите, при каком значении ∆z_p функция Р = f (∆z) перестает быть функцией от ∆z .

6. Проведите измерения с отражающими поверхностями, отличающимися друг от друга коэффициентами отражения.

Контрольные вопросы:

1. Какие основные факторы обусловливают нестабильность выходного сигнала ВОД линейных перемещений отражательного типа.

2. В чем заключается физический смысл стабилизации выходных сигналов.

3. Чем можно объяснить различие функциональной зависимости выходного сигнала ВОД от перемещений и спаренном сиетоводе и в дополнительном световоде.

4. Объясните функциональную зависимость выходного согнала ВОД со стабилизацией и дайте анализ его основных характеристик.

Литература:

В.И. Бусурин, Ю.Р. Носов. Волоконно-оптический датчик:

Физические основы, Вопросы расчета и применения. М. 1990, Энергоатомиздат. 256 стр.

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ЛЕСА

КАФЕДРА ПТПП

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА