Состояние и развитие интеллектуальных оптоэлектронных преобразователей перемещений на основе волоконных и полых световодов

АННОТАЦИЯ

В статье рассмотрены вопросы состояние и развития интеллектуальных оптоэлектронных преобразователей перемещений на основе волоконных и полых световодов. Приведена классификация по принципу действия, конструктивному признаку и функциональному назначению.

ABSTRACT

In the article the questions of status and development of optoelectronic discrete displacement converters based on the fiber and hollow light guide are considered. The classification by the principle of action, design feature and functional purpose is given.

Ключевые слова: интеллектуальные оптоэлектронные преобразователи, световой поток, оптический канал, световоды, волоконные световоды, бесконтактность измерения.

Keywords: intelligent optoelectronic converters, luminous flux, optical channel, optical fibers, optical fibers, noncontact measurement.

Развитие систем контроля и управления в различных областях промышленности и сельского хозяйства приводит к росту потребности в датчиках и преобразователях для измерения давления, перемещения, уровня, расхода жидкостей и контроля и учета штучных изделий и товаров на конвейерных линиях и многих других технологических величин.

Среди существующих преобразователей, основанных на различных физических принципах действия (электромагнитные, тепловые, емкостные, ультразвуковые, электромеханические, радиоактивные и другие), интеллектуальные оптоэлектронные преобразователи на основе волоконных и полых световодов имеют ряд преимуществ, основными достоинствами которых являются: большая разрешающая способность, высокая точность и быстродействие, широкий диапазон и номенклатура преобразуемых величин, возможность осуществления сканирующего режима преобразования и простота стыковки с ЭВМ, идеальная гальваническая развязка входа от выхода и другие. Кроме того, интеллектуальные оптоэлектронные преобразователи весьма технологичны в изготовлении и могут иметь невысокую стоимость.

На рис. 1 приведена схема интеллектуального оптоэлектронного преобразователя, в общем случае состоящего из источника излучения (ИИ), оптического канала (ОК), приемника излучения (ПИ) и измерительной схемы (ИС).

Хвх{Х1, Х2, ..., Хn}

Рисунок 1. Схема интеллектуального оптоэлектронного преобразователя

Интенсивно развиваются интеллектуальные оптоэлектронные преобразователи, в которых выходной сигнал Х_вых формируется в результате воздействия входного дискретного воздействия на излучение, которое распространяется в световоде (оптическом канале) от источника ИИ к приемнику ПИ (рис. 1). По существу, световой поток от ИИ к ПИ подвергается дискретному воздействию (модуляции) со стороны контролируемой величины или параметра.

Оптоэлектронные преобразователи основаны на известных оптических явлениях: отражения, поглощения, преломления, полном внутреннем отражении и другие. Для оптоэлектронных преобразователей в настоящее время выпускаются многочисленные типы источников и приемников излучения. Разнообразны также в зависимости от типов ИИ и ПИ измерительные схемы интеллектуальных оптоэлектронных преобразователей. В качестве оптических каналов могут быть использованы как газовые, жидкостные и другие оптически прозрачные твердые тела, так и специальные световоды, в том числе полые и волоконные. Именно световоды во многом определяют конструктивное многообразие и метрологические возможности интеллектуальных оптоэлектронных преобразователей. А также именно световоды в основном определяют метрологические возможности интеллектуальных оптоэлектронных преобразователей (датчиков):

давления, температуры, шероховатости материалов, уровня жидкостей, скорости вращения тел, углов наклона объектов, линейных и угловых перемещений, цветности, вибрации, веса, состава, концентрации и другие.

Бесконтактность измерения, быстродействие, высокая точность и надежность, а также экономичность выгодно отличают ОПВ от других преобразователей.

На рис.2 показан ряд устройств на основе ОПВ, выходные сигналы которых в дискретной форме (в виде импульсов тока 1_вых или напряжения U_вых) связаны со скоростью вращения , угла наклона  и уровня жидкостей H.

На рис. 2, а. изображен ОПВ скорости вращения [1], содержащий полый световод 7, сосредоточенный источник излучения 2, кольцевой приемник излучения 3, диск 4 со светлыми 5 и темными 6 полосами, ось вращения диска 7.

На рис. 2, б изображен преобразователь угла наклона [2] на основе ОПВ, содержащий полый световод 7 , источник излучения 2, тепловой экран 3, фокусирующую линзу 4, защитное стекло 5, полудисковый оптический экран 6, свободно подвещанный на оси 8 круглого основания 7, в котором на нижнем полукруге установлены в четверть круговых секторах по дугам входные торцы двух групп отводящих волоконных световодов 9 и 10, выходные торцы которых уложены вдоль двух дугообразных шкал делениями в градусах  и  на полу дисковом экране для визуального отображения угла наклона объекта: в левую сторону , а в правую сторону . Предварительно ОПВ устанавливается на контролирующий объект.

Рисунок 2. Физические модели ОПВ.

a) ОПВ скорости вращения; б) ОПВ угла наклона; в, г) ОПВ уровня жидкостей

В ОПВ уровня жидкости (рис.2, в) в верхнем торце полого световода 1 расположен неподвижный источник излучения 2, а роль подвижного внешнего модулирующего тела (ВМТ) выполняет светоотражающая поверхность уровня жидкости, при перемещении которой изменяется распределения светового потока Ф₀, вдоль полого световода 1. Данный полый световод имеет продольную оптическую щель 4, вдоль которой размещены входные торцы отводящих световой поток волоконных световодов 5, выходные торцы которых оптически соединены с матрицей приемников излучение 6 и далее со схемой обработки сигналов 7.

ОПВ уровня жидкостей изображенный на рис.2, г содержит: источник излучения 1, подводящий волоконный световод 2, отводящий световой поток волоконный световод 3, приемник излучения 4, цилиндрический поплавок 5, жидкость 6 с уровнем Н, уровнемерную трубку 7, хомут для крепление ОПВ с винтом 8.

Формально-логическое описание функции ОПВ используя положения системного анализа можно описать их структуры и функции кортежем, состоящим из пяти компонентов:

f=(D,P,H,S,U)                                                                                   (1)

где: D – принцип построения преобразователя;

Р – объект, который контролируется;

Н – начальное и конечное значения контролируемого параметра объекта; S – метод выполнения действия преобразователя;

U — условия окружающей среды преобразователя.

Для формально-логического описания структур следует выделить следующие конструктивные элементы: ИИ – источники излучения; ПИ – приемники излучения; СВ – световоды; ПМЭ – подвижные модулирующие элементы; ИС – измерительные схемы.

В общем случае можно представить множество элементов ОПВ в виде

{МЭ} = {ИИ, ПИ, СВ, ПМЭ, ИС}                                                                       (2)

можно также показать, что каждый элемент характеризуется множеством:

{ИИ} = {ЛН, СД, ЛЛ, ЛАЗ, ЛД, ГР},                                                                    (3)

где: ЛН – лампочка накаливания; СД – световодиод; ЛЛ – люминесцентная лампа; ЛАЗ – лазер; ЛД – лазерный диод; ГР – газоразрядный источник.

{ПИ} = {ФД, ФР, ФТ, ФС, МФ},                                                                      (4)

где: ФД – фотодиоды; ФР – фоторезисторы; ФТ – фототранзисторы; ФС – фотоселекторы; МФ - матричные фотопреобразователи.

{СВ} = {ПС, ПВС, ОВС, ВСК},                                                                      (5)

где: ПС – полый световод; ПВС – подводящий волоконный световод; ОВС – отводящий волоконный световод; ВСК – волоконный световод в виде кабеля (жгута).

{ПМЭ} = {ПОЭ, ПИИ, ППИ, ППС, ПВС, ПСШ},                                                          (6)

где: ПОЭ – подвижный оптический экран; ППИ – подвижный источник излучения; ППС – подвижный полый световод; ПВС – подвижный волоконный световод; ПСШ – подвижный светоотражающий шар.

{ИС} = {ДС, МС, ДСОУ, МСОУ, СМП},                                                               (7)

где: ДС – делительная схема; МС – мостовая схема; ДСОУ – делительная схема с операционным усилителем; ДФС – дифференциальная схема; СМП – измерительная схема с микропроцессором.

К указанным элементам следует добавить оптические элементы {ОЭ}, которые существенно расширяют функциональные возможности:

{ОЭ} = {ЛЗ, РФ, ДМ, 00, ОС, ОК},                                                                 (8)

где: ЛЗ – линза; РФ – рефлектор; ДМ – диафрагма; ОО – оптические ответвители; ОС - оптические соединители; ОК – оптический клин.

Множество вариантов конструкции ОПВ определяется взаимодействием указанных основных элементов. Различные сочетания множеств {ИИ},{ЛИ},{СВ},{ПМЭ} и {ИС} дает тот или иной принцип создания ОПВ, что позволяет разработать весьма большое число новых конструкций ОПВ. Проанализируем их принципы построения.

Принцип действия большинства между входными и выходными величинами за счет распределения светового потока от источника к приемнику излучения при продольных и поперечных перемещениях различных внешних модулирующих тел (ВМТ). В ОПВ можно выделить следующие ВМТ: плоские (пластины, диски, ленты), шарообразные, цилиндрические, поверхности жидкостей и твердых тел.

По функциональному назначению OПB могут быть разделены на преобразователи линейных и угловых перемещений, уровня жидкости, давления, скорости вращения, шероховатости, температуры, цветности и другие. Источники излучения, используемые в ОПВ, весьма разнообразны и также определяют тип конструкций ОПВ. Источники излучения можно подразделять на сосредоточенные (точечные), распределенные продольно или поперечно оси световодов. Аналогично могут быть классифицированы приемники излучения. Следует указать, что распределенные на входном торце световодов источники излучения, как правило, получаются сочетанием сосредоточенного источника излучения с линзой. Анализ существующих конструкций ОПВ и результатов исследований показывает, что для разработки конструкций ОПВ на основе полых световодов наиболее эффективными являются кольцевые приемники излучения, установленные на входном торце полого световода, и которые одновременно выполняют роль диафрагмы. А для разработки конструкций ОПВ на основе волоконных световодов весьма перспективными являются коаксиальные световоды, у которых подводящий волоконный световод охвачен снаружи отводящим волоконным световодом.

С учетом вышеизложенного, ниже на рис.З и рис.4 приведены классификации ОПВ по типам продольно и поперечно перемещающихся ВМТ при сосредоточенных и распределенных в источниках излучения.

На рис.З приведена классификация рефлективных ОПВ по типу продольно перемещающихся ВМТ при сосредоточенном источнике излучения.

В конструкциях рефлективных ОПВ по типу поперечных перемещающихся ВМТ при сосредоточенных источниках излучения (рис.4) при поперечных перемещениях ВМТ по координате “у” изменяется площадь светоотражающей поверхности ВМТ (пластины, шара, цилиндра и световых и темных полос) на поверхности ленты или диска.

Из анализа существующих конструкций ОПВ можно сделать следующие выводы:

1) Характерными признаками рассматриваемых ОПВ для конструкций на основе полых световодов являются: наличие на входном торце полого световода, последовательно установленных по оси полого световода сосредоточенного источника излучения и кольцевого приемника излучения, который одновременно выполняет роль диафрагмы и своей светочувствительной поверхностью обращен во внутрь полости полого световода для восприятия светового потока от различных ВМТ по принципу действия перемещающихся продольно или поперечно оси световода.

2) Характерными признаками ОПВ на основе волоконных световодов являются: наличие на входном торце волоконного подводящего световода, сопряженного с ним сосредоточенного источника излучения, и коаксиально расположенного с подводящим световодом отводящего волоконного световода, что создает осе-симметричное распределение эффективный освещенности торца отводящего световода световым потоком, отраженным от ВМТ, при этом выходной торец подводящего волоконного световода несколько отодвинут от торцов отводящего волоконного световода, что устраняет фоновую засветку и создает необходимую индикатрису излучения от подводящего волоконного световода.

3) Общими характерными признаками для рассматриваемых ОПВ являются наличие подвижных (в продольном или поперечном направлениях) ВМТ, в качестве которых наиболее часто в конструкциях ОПВ используются

плоское тело, шарообразная и цилиндрическая форма тела, а также поверхности уровня жидкости в ОПВ для контроля уровня жидкости.

4) Для ОПВ, основанных на явлении прерывания светового потока, характерным является наличие распределенного на торце полых или волоконных световодов светового потока и поперечно перемещающихся ВМТ, в качестве которых используются плоские, шарообразные и цилиндрические тела, а также линейка, лента и диски с отверстиями.

Список литературы:
1. Азимов Р.К., Шипулин Ю.Г. «Оптоэлектронные преобразователи больших перемещений на основе полых световодов». М.: Энергоатомиздат, 1987. - 105 с.
2. Азимов Р.К., Шипулин Ш.Ю., Холматов У.С., Абдуллаев Т.А., Исмоилов Х.А. «Морфологический метод структурного проектирования оптоэлектронных преобразователей на основе полых и волоконных световодов (ОЭГТВС)». // «Современные материалы, техника и технологии в машиностроении». III Международная научно-практическая конференция, 3-секция.- Андижан.- 2016.- С. 15-19.