В П Квасніков, С В Окоча - Розробка волоконно-оптичного датчика для контролю параметрів оптичних деталей - страница 1

Страницы:
1  2 

УДК 531.7.068

РОЗРОБКА ВОЛОКОННО-ОПТИЧНОГО ДАТЧИКА ДЛЯ КОНТРОЛЮ ПАРАМЕТРІВ ОПТИЧНИХ ДЕТАЛЕЙ

Квасніков В.П., д.т.н., проф. каф ІТ

Окоча С.В., аспірант каф. ІТ Національний авіаційний університет, e-mail: kvp@nau.edu.ua

 

The task of fibre optical sensors creation with the variable jump of refraction index on the border of light guide and the task of analysis of error are considered in the article.

 

Вступ

Вдосконалення автоматичного контролю різними об'єктами, процесами виробництва, визначається досягненнями в галузі вимірювальних перетворювачів (датчиків). Проте більшість датчиків не завжди задовольняють висунутим до них вимогам по таким показникам, як розміри, точність, допустимі умови експлуатації. Успіхи в технології волоконних світловодів [1,2], які привели до широкого їх використання дозволяють замінити традиційні датчики, коли їхні параметри не задовольняють вимог, або для отримання нових функцій у вимірюваннях.

Постановка задачі

Однією з областей застосування датчиків із змінним стрибком показника заломлення (ЗСПЗ) на основі волоконних керованих світловодів (ВКС) є ідентифікація типу рідини її густини та для контролю оптичних параметрів деталей за значенням показника заломлення, що необхідне у великому числі практичних задач.

Необхідно спроектувати швидкодіючий датчик за схемою модуляції з ЗСПЗ на границі світловода та провести аналіз похибки.

Розвязання задачі

Робота датчика контролю параметрів оптичних деталей типу рідини заснована на відмінності показників заломлення n2 контрольованих оптичних деталей (наприклад, для води n2 = 1,33, для газу n2 = 1,41), що приводять до зміни світлопропускання оптичного каналу.

Нехтуючи втратами на поглинання світла матеріалом світловода, можна визначити струм в ланцюзі фотоприймача I<iin, який має інтегральну чутливість S<iin.

Струм Iфп, істотно змінюється при незначній зміні показника заломлення n2.

При накладанні індикатора на контрольовану оптичну поверхню, це викликає стрибок струму Iфп. Подальше переміщення індикатора по поверхні деталі не приводить

до різких стрибків і спадів струму Iфп. Значення стрибків і спадів в початковий період

визначаються зміною площі поверхні контакту датчика з контрольованою оптичною поверхнею, та положенням межі розділу оптична деталь - повітря. Математична модель датчика

При використанні датчика, побудованого по схемі модуляції ЗСПЗ на границі світловода, умови розповсюдження по керованому світловоду (КС), відповідно світлопропускання залежать від змінного показника заломлення зовнішнього середовища, що межує з керованим світловодом рис.1.


Математична модель для даного випадку з граничною модуляцією оптичного випромінювання [1] має вигляд:

k=kmax     arctg ( L llkd )

,v   '"max    I* Г П

Iфп(n2) = 0,5^ £                   JRі, n2)(1 -в)2 + R(61,n2\( - R„B)2]x

k=kmin arctg [(L-l^ )/2kdc ]

xехр(-жЬ/со8#()f1[arcsin(n( sin(q с0))]/ф„[arcsin(n( sin(q -a0)) + Afi}de1


 

 

(1)дЄ      kmax = entier[L / 2dctg61min ]kmin = entier[L / 2dctg61max ] , fфп [] - Функція, що описує вид

апертурної характеристики фотоприймача; A/? - кут між центральними напрямками

апертурної характеристики фотоприймача та випромінювання РВИХ; Іфп - протяжність

чутливої площі фотоприймача в проекції на площину світловода; 8фп - чутливість

фотоприймача на довжині хвилі випромінювання.

Шляхом конкретизації механізму зміни відбиваючої здатності [1,2] при зміні показника заломлення зовнішнього середовища формула (1) прийме вигляд:

k=kmax arctg(L/2kd)

 

k =kmin arctg [(L )/2kdc ]

xехр^жЬАх^б)f1[arcsin(n1 sin(q -a0))]fфn[arcsin(n1 sin(q -a0)) + A0\dd1, (2)

де Rin n2)


2

n,2 sin2 q

n1 cosq +^n2 - n1 sin q

n2 cosq     n2 - n1 sin q

n2 cosq - л]n2, -n12 sin2 61


2

Коефіцієнт модуляції   m   оптичного каналу в датчику з ЗСПЗ знаходимо із співвідношення:

m = (Р   - Р  )/Р   = 1 -т

V   max        min /      max       min max


(3)де Pmax, Pmin,Tmax,Tmin - відповідно максимальні та мінімальні значення вихідної потужності і світлопропускання при зміні властивостей завнішнього середевища рис. 2.

Потужність Pmax визначається при n2 = n20, а потужність Pmin - при n2 = n20 + An2

Pmax =   J ^ dq


(4)


Приведений інтеграл (4) можна розбити на дві частини:

1)                      в діапазоні кутів від в1кр = arcsin( n20 / n1) до q1max, в якому виконується умова повного внутрішнього відбиття, нехтуючи втратами в матеріалі світловоду,

 

dPвиx /     = dPBx /

2)                      в діапазоні кутів від q1min до в1кр умова повного внутрішнього відбиття не виконується, тоді отримуємо:

dP dP

 

де Ry (q,n20) = 0,5[Rt(q,+ R),n(01,n2)].

 

Відповідно максимальна потужність визначається наступним виразом:с dP   r dP


(6)

Аналогічно визначається мінімальна потужність:

Pmin = J


dd1


1    n2 =n20 +An2


(7)або

T dP   \                              1       V dP

P    =   Г d вх

J щ [Ry (q,+An2M + J ^djqrdqдЄ 01kpA = arcsin[(n20 + An2 / n1)].

Відповідно коефіцієнт модуляціївіТ dP  віr dP    віТ dP \

J dqdq + J dqRy qn2o)dq - J dq[Ry qn20 +An2)}/q1

q1rp    1           a1min  1                               a1min  1 /r\\

m =---------------------- a-------------------------------- a                                             (9)

r dP                                     r dP

J dqRy qn2°)da + J dqda

Аналіз похибки датчика

Кількісною мірою точності вимірювального пристрою являється його похибка. Сумарна похибка датчика із ЗСПЗ виникає під впливом багатьох первинних похибок, які залежать від методу вимірювання, схеми, якості виготовлення пристрою, характеру поводження контрольованого процесу, оточуючих умов, та ряду інших оточуючих і внутрішніх факторів.

Робота датчика на основі плоского КС в загальному вигляді описується складною функцією багатьох параметрів, до числа яких відносяться як параметри пристрою, так і параметри, що характеризують умови експлуатації, які змінюються під впливом оточуючого середовища. З урахуванням параметрів створюючих найбільший вплив на роботу датчика записується функція наступним чином:

1 фп = /фп (a0 , П1, ФдН , U Ж , ^,...)

де UЖ - напруга живлення випромінювача; T - температура навколишнього середовища. Віповідно теорії імовірностей при незалежних різних впливах проводять сумування середньоквадратичних відхилень окремих параметрів.

Залежність між середньою квадратичною s та граничною Арр похибками (відхиленнями) визначається законом розподілу похибок. При дійсності нормального закону А пр = 3s.

Оцінка первинних похибок пристрою

Кут розповсюдження випромінювання встановлюється при зборі пристрою. Склеювання вузлів датчика в спеціальному пристрої дозволяє забезпечити точність установки кута a0 до 0,05° [3], що визначає розкид параметра кута розповсюдження в1.

Показник заломлення заготовок скла може також коливатися. Ступінь різниці залежить від типу скла, використовуваного спектру випромінювання і т. д.. На основі проведених дослідів для скла типу ТФ-10 при інфрачервоному випромінюванні різниця в показнику заломлення матеріалу однієї партії може відрізнятися на Ап1 = 0,00097 [4].

Ширина ДН випромінювання світлодіодів, виготовлених в одній партії, також відрізняється (для світлодіода АЛ107А розкид ширини ДН складає 10 -15°)

Середня квадратична похибка датчика із ЗСПЗ на основі плоского КС визначатиметься наступним виразом:

s„ = J(V       +(av^)2t=1,8s +...+@vaTT,20S (11)

Страницы:
1  2 


Похожие статьи

В П Квасніков, С В Окоча - Розробка волоконно-оптичного датчика для контролю параметрів оптичних деталей