8.1.Некогерентные рефлектометрические вод

В ВОД рефлектометрического типа поток излучения с выхода передающего ВС направляется на отражающую поверхность объекта и часть отраженного потока, зависящая от положения поверхности объекта, ее формы и отражающих свойств, воспринимается входным торцом приемного ВС (рис.32,а).

Рассмотрим зависимость выходного сигнала ВОД на примере преобразования светового потока, отражающегося (без потерь и рассеяния) от движущейся плоской поверхности (рис.32,б). Если торец ВС контактирует с отражающей поверхностью, то поток к фотоприемнику практически не проходит. При увеличении расстояния поток излучения, заключенный в конусе апертуры ВС, падает на все большую площадь на объекте измерений и по сути эта площадь становится источником вторичного потока, который возвращается к приемному ВС.

Рис.32. Некогерентные рефлектометрические ВОД

В соответствии с диаграммой излучения ВС лучи, выходящие под наибольшим углом к торцу передающего ВС, переносят меньшую часть излучаемого потока и при небольших расстояниях до поверхности воспринимаемая часть отраженного потока растет медленно. С увеличением площади отраженного "пятна" и входом в торец лучей с большей энергией наблюдается резкий рост принимаемого потока. При определенном отношении размеров торцов крутизна изменения потока растет до тех пор, пока границы отраженного "пятна" не выходят за пределы торца приемного ВС.

При увеличении расстояния потери за счет выхода отраженного потока за пределы торца и приемного ВС преобладают, рост зависимости замедляется и вблизи некоторого расстояния поток, приходящий к фотоприемнику, останется практически постоянным. В дальнейшем преобладают потери за счет выхода отраженного потока за пределы торца приемного ВС и поток, приходящий к фотоприемнику, убывает. Таким образом, функция преобразования ВОД рефлектометрического типа имеет квазилинейный участок наибольшей крутизны с центром хо, участок максимума вблизи хm и падающий участок при х>хm_0.

При начальной установке ВС в хo изменение потока на фотоприемнике практически линейно связано с изменением расстояния до отражающей поверхности. Вблизи максимума выходной сигнал ВОД практически не зависит от расстояния до отражающей поверхности и будет определяться мощностью источника излучения, потерями в ВС и отражающими свойствами поверхности.

Для рефлектометрических ВОД используются следующие основные способы получения измерительной информации:

аксиальное движение отражающей поверхности (бесконтактные датчики перемещений, толщины, расстояний);

угловые перемещения плоской отражающей поверхности;

изменение формы отражающей поверхности (датчики давлений,

усилий, ускорений, контроля геометрии и линейных размеров);

ортогонального перемещения границ поверхностей с различными отражающими свойствами (датчики ударных воздействий, акселерометры, цифровые датчики перемещений, числа оборотов, наличия и положения детали в охвате робота);

изменение поглощающих и рассеивающих свойств неподвижных поверхностей.

Для рефлектометрических ВОД существенным признаком, определяющим конструкцию, возможность конкретного использования и метрологические характеристики, является пространственное расположение торцов приемных и передающих ВС. Хотя теоретически такое расположение может быть произвольным, на практике реализуются две основные конструкции каналов когда торцы передающего и приемного каналов установлены под определенным углом друг к другу и когда приемный и передающий ВС имеют общий плоский торец (ВОД с совмещенным торцом), выполненный в виде зонда. Наиболее часто применяют вторую конструкцию, так как установка торцов под определенным углом затрудняет сборку ВОД и усложняет процесс начальной юстировки, особенно при отражении от неплоских поверхностей.

В [49] описан ВОД ускорения (акселерометр) на основе амплитудного датчика углового смещения (рис.33). Чувствительный элемент представляет собой закрепленную с одной стороны консоль длиной l с зеркалом на конце. Угол наклона консоли изменяется поддействием ускорения тела и определяется по изменению мощности излучения, отраженного от зеркала обратно в МВС, торец которого располагается в передней фокальной плоскости линзы. Часть отраженного излучения, проходя через ВС, поступает на фотоприемник, расположенный в одном из плеч НВО Yтипа. В другое плечо ответвителя вводится излучение светодиода. При изменении угла наклона консоли e изображение торца ВС смещается в поперечном направлении на величину y относительно оси сердцевины световода диаметра d, изменяя интенсивность переотраженного в ВС излучения:

=arccos /_01 2_0 2. (12)

В случае малых смещений y < 0,3 d справедлива аппроксимация

J/Jо=1 4y/p_0d.

Рис.33. Волоконнооптический акселерометр

Рассчитанная по формуле (12) зависимость J/Jo от y представлена на рис.34. Видно, что для обеспечения работы ВОД на линейном участке характеристики изображение торца ВС должно быть смещено в начальном положении примерно на четверть диаметра сердцевины ВС. Поперечное смещение изображения торца ВС y=2Fe определяется углом наклона консоли e и фокусным расстоянием линзы F. Значение коэффициента преобразования ВОД углового смещения можно рассчитать по формуле

Jo de ¦p_0d

При F=13 мм и d=50 мкм получаем g=700 1/рад.

Чувствительность ВОД находится из Фурьеобраза уравнения колебаний консоли

cw /aw=Kw=1/(wo_52+ia_0w w_52_0),

где Кw частотная передаточная функция консоли; a коэффициент затухания; wo собственная частота колебаний; cw Фурьекомпонента продольного смещения свободного конца консоли c=2Le/3; aw Фурьекомпонента ускорения.

Рис.34. График зависимости интенсивности принимаемого излучения от поперечного смещения У изображения торца ВС и угла поворота зеркала Е

На практике частотный диапазон слабодемпфированного акселерометра ограничен уровнем 20 % от собственной частоты. Это позволяет положить ¦Kw¦=1/wo2 и рассчитать коэффициент преобразования ВОД ускорения по формуле

ldwo2

При F=13 мм, l=8 мм, d=50 мкм и fo=wo/2p=180 Гц получаем ga=0,1 с2/м.

В предположении, что система ограничена дробовыми шумами фотоприемника, найдем отношение сигнал/шум

где J интенсивность попадающего на фотоприемник излучения; h квантовая эффективность; П полоса пропускания ФПМ.

Минимально обнаружимое ускорение определяется выражением

1 Ldwо / 2eП аw.мин=?. qga4F hJ

При J=15 мкВт, h=0,5 А/Вт и П=1 Гц получаем q=57 106Гц1/2 и aw.мин=27 107 g/Гц_51/2_0.

Применение в волоконнооптическом акселерометре светодиода ИЛПН304, фотоприемника ФД24К и МВС со ступенчатым профилем показателя преломления и диаметром световедущей жилы 50 мкм позволило на частоте 30 Гц реализовать пороговую чувствительность к угловому смещению `_047_010 10 рад/Гц_51/2 и к ускорению 10_56 g/Г_51/2_0.

Весьма существенным является взаимное расположение торцов приемных и передающих ВС. Например, только за счет соответствующей конструкции коэффициент преобразования рефлектометрических ВОД может изменяться более чем на порядок при равных потоках излучения источника.

Приемный и передающий каналы рефлектометрических ВОД могут быть выполнены как из отдельных ВС, так и из жгутов из них. Наибольшее распространение получили ВОД с каналами, состоящими из жгутов ВС следующих конструкций:

со случайным расположением торцов передающих и приемных ВС на общем торце жгута;

коаксиальный канал, в котором на общем торце жгута группапередающих (приемных) ВС окружена группой приемных (передающих) ВС;

канал с распределенным торцом, в котором на общем торце жгута группа передающих ВС расположена рядом с группой приемных ВС.

Максимальную чувствительность при бесконтактном измерении аксиальных перемещений имеют ВОД со случайным распределением приемных и передающих ВС на общем торце. Это объясняется тем, что все излучающие ВС участвуют в формировании функции преобразования с момента, когда x>0. Однако это приводит к тому, что максимальное значение выходного сигнала появляется при значениях x, меньших, чем для других конструкций. ВОД с таким типом канала имеют минимальное рабочее расстояние xo=100... 200 мкм и самый короткий квазилинейный участок измерения. Максимальный квазилинейный участок 1... 2 мм дают каналы с распределенными торцами.

Средние значения по указанным параметрам позволяют получить ВОД с коаксиальными каналами.

Однако рассмотренные конструкции каналов не позволяют установить xo более 3...5 мм. Это затрудняет использование ВОД аксиальных перемещений в тех случаях, когда максимальное значение перемещений априорно неизвестно или может произойти разрушение объекта от случайного контакта с датчиком. Здесь целесообразно использовать гибридные ВОД, состоящие из приемопередающего канала с совмещенным торцом и специальной оптической насадкой, применение которой позволяет увеличить xo до десятков сантиметров. Несмотря на то, что оптические каналы из жгутов многомодовых ВС позволяют получить высокую чувствительность для большого класса физических величин, особенности технологии производства жгутов ВС ограничивают их длину до 10... 20 м. Это затрудняет применение ВОД в тех случаях, когда необходимо удалить электронный блок (фотоприемник и источник излучения) на большие расстояния. Для передачи данных на расстояние более 20 м целесообразно использовать ВОД, составленные из ВС, используемых в ВОЛС. Однако особенности изготовления общего торца ВОД ограничивают число объединяемых ВС.

Наиболее типичной является конструкция, в которой один излучающий ВС окружен приемными. Коэффициент преобразования ВОД с таким каналом ниже, чем у рассмотренных выше, а ход функции преобразования соответствует каналу со случайным распределением ВС в торце.

Естественно, что ВОД с одним излучающим ВС дает наивысшую локальность измерения. Минимальные размеры чувствительного элемента, вводимого в зону измерений, при большой протяженности квазилинейного участка могут быть получены с помощью приемопередающего канала, выполненного в виде одного ВС. Здесь поток от источника излучений вводится в ВС через полупрозрачное зеркало. Отраженный по этому же ВС поток возвращается к фотоприемнику. Естественно, что такая схема предполагает значительные потери энергии из-за введения полупрозрачного зеркала.