С В Окоча - Розробка волоконно-оптичного датчика для ідентифікації типу рідини - страница 1

Страницы:
1  2 

УДК 531.7.068


Окоча С. В. (НАУ)

РОЗРОБКА ВОЛОКОННО-ОПТИЧНОГО ДАТЧИКА ДЛЯ ІДЕНТИФІКАЦІЇ

ТИПУ РІДИНИ

 

Розглянута задача створення волоконно-оптичних датчиків зі змінним стрибком показника заломлення на границі світловода та аналізу похибки.

 

Рассмотрена задача создания волоконно-оптических датчиков с переменным скачком показателя преломления на границе световода и анализа погрешности.

 

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 та її густини за значенням показника заломлення, що необхідне у великому числі практичних задач (наприклад, при виявленні конденсату в заправних баках літаків, замерзання палива, загусання змащуючих матеріалів двигунів і т. п.).

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

Розвязання задачі

Робота індикатора типу рідини заснована на відмінності показників заломлення n2 контрольованих рідин (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 Іфп, який має інтегральну чутливість .

Струм Іфп, істотно змінються при незначній зміні показника заломлення n2.

Спочатку при зануренні індикатора в рідину на поверхні світловода утворюються області з рідиною, які потім зливаються і утворюють суцільну плівку. Це викликає стрибки струму Іфп. Подальше занурення не приводить до різких стрибків і спадів

струму Іфп, він починає монотонно зменшуватися. Значення стрибків і спадів в

початковий період визначаються формою краплі та положенням межі розділу крапля -повітря.

Починаючи з деякого рівня h0 струм Іфп при збільшенні рівня h практично не

змінюється,   оскільки  межа  віддзеркалення  контрольоване  середовище  - повітря достатньо   далеко   від   вимірювальної   поверхні   індикатора.   При   цьому сигнал, відзеркалений від цієї границі, повністю затухає. 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

 

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

xexp(-2eL/cos0)f1 [arcsin(n1 sin(0 -a0))]/фп[arcsin(n1 sin(0 -a0)) + A//d01,


 

 

(1)дЄ        kmax = entieAL /2dctg01min ],   kmin = entier[L / 2 dctg01 max ], fфп []   -  Функція,   що описує

вид апертурної характеристики фотоприймача; А/ - 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)

Іфп) = 0,5^ £        j [RL (01, n2 )(1 - R±B)2 + Rn (01, n2 )(1 - Rв )2 ]x

k =kmin arctg [(L-ф )/2kdc ]

x exp(-2eL/cos0) f1 [arcsin( n1 sin(01 - a0 ))]fфn [arcsin( n1 sin(01 - a0)) + A/]d01,

(2)

де Rin (0l, n2):


2      2   •    2 n

n sin 0

1 -Д/ n2

2

=     , R// n (01, =

n1 cos01 +^n2 - n1 sin 0


n2 cos01 -yjn2, -n12 sin2 01 n2 cos0 -A/n22 -n2 sin2 0


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

 

1max

d0

p    _   Г ui вих л а (л\

Pmax ~    І        Іґл    dU1\n2 = n20 (4)


Приведений інтеграл (4) можна розбити на дві частини:

1)                      в діапазоні кутів від 01кр = arcsin( n20 / n1) до 01max, в якому виконується умова повного внутрішнього відбиття, нехтуючи втратами в матеріалі світловоду,

 

dPвиx / d01 = dPBx /

2)                      в діапазоні кутів від 01min до 01кр умова повного внутрішнього відбиття не виконується, тоді отримуємо:

(5)

dP dP

d01 d01

де      (01,n20) = 0,5^(01,+ R),n(01,n2)].

 

Відповідно максимальна потужність визначається наступним виразом:с dP           r dP

Pmax =   j          RT  (01, n20)d01 +   j ^ d0


(6)

Аналогічно визначається мінімальна потужність:

л dP

0І d01

P. = j d0,


(7)або

Pmin =


0крА dP    Г                           1 01max

J  d0 L T

dPBX [R   (01,+An2)}/01 + j ^

1крА

d01


d01


(8)дЄ 01крА = arcsin[(n20 + An2 / n1)].

Відповідно коефіцієнт модуляції

 

m = ­


dPBX

L d0

j Щ d0 + j ^0RT (01,n20)d01 - j ^0[RT (01,+An2)}/01

d01

j ^0 RT (01, n-)d0 + j


 

(9)

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 Агр 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 забеспечити 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:

s4n =v (V q)USq ^jd^US +...+@vaTT=20S                                                     і)

Страницы:
1  2 


Похожие статьи

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

С В Окоча - Розподілена компютеризована волоконно-оптична система контролю геометричної форми поверхні деталей

С В Окоча - Розробка волоконно-оптичного датчика для ідентифікації типу рідини