Серебряков Д.И., Кривулин Н.П. ОПТИМИЗАЦИЯ КОНСТРУКЦИИ ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО СИГНАЛИЗАТОРА УРОВНЯ ЖИДКОСТИ При финансовой поддержке в форме гранта Министерства образования и науки РФ Предложен новый способ определения конструктивных параметров чувствительного элемента, который позволяет добиться более высоких метрологических характеристик сигнализатора. В работе [1] рассмотрен волоконно-оптический сигнализатор уровня жидкости (ВОСУЖ). Отличительной особенностью его является то, что световод (чувствительный элемент) имеет простую конструкцию, выполнен в виде стержня круглого сечения из оптически прозрачного материала, для которого выполняется условие: n1 < nв.ср. < n1, (1) где n0, nв.ср, n1 – показатели преломления воздуха, жидкости и стержня соответственно, а отношение dо/dс = 2,5, где dо – диаметр оболочки оптического волокна (ОВ), dс – диаметр сердцевины ОВ. При изготовлении чувствительного элемента встает вопрос выбора оптимальных размеров конструктивных параметров ЧЭ, а именно длины и радиуса стержня. Для достижения высоких метрологических характеристик необходимо чтобы конструктивные параметры чувствительного элемента обеспечивали максимальный перепад сигнала и минимальные потери светового потока в зоне измерения, а также попадание лучей от подводящего ОВ в отводящие ОВ при отсутствии контакта стержня с жидкостью. В работе [2] на основании экспериментальных исследований предложено длину стержня определять с помощью выражения: sin NAn0 dc R cos 90 tg 2 arcsin 1 n 2 1 L , sin NAn0 tg arcsin n1 (2) где NA – апертурный угол ОВ, R – радиус шарового сегмента световода, обращенного в сторону измеряемых сред: 1,5dо R 2dо, (3) α – угол отражения от шарового сегмента: arcsin n0/nв.ср < α < arcsin nв.ср/n1, (4) а отношение L/R должно отвечать условию: L 3,148 3, 24; R L 3,415 3,6; 5) R L 3,628 3,748; R L 3,88 4,017. R На рисунке 1 приведена упрощенная конструкция предлагаемого сигнализатора. ВОСУЖ содержит последовательно установленные и оптически согласованные источник излучения 1, например полупроводниковый излучающий диод, подводящее 2 (ПОВ) и отводящие 3 оптические волокна (ООВ), ЧЭ 4, корпус 5, состоящий из двух частей 6 и 7, приемник излучения 8, например фотодиод (рисунок 1). Цилиндрическая часть ЧЭ 4 закреплена в части 6 корпуса 5 с помощью соединительного состава 9 с коэффициентом преломления n2 < nв.ср, при этом шаровой сегмент выступает за пределы части 6 корпуса 5 на значение большее или равное R, определяемое выражением (3). ПОВ 2 и ООВ 3 собраны в пучок (сечение А-А на рисунке 2) и закреплены в части 7 корпуса 5 с помощью клея 10, обладающего большой упругостью. ЧЭ 4 выполнен из оптически прозрачного материала, например кварцевого стекла (стержня), для материала которого выполняется условие (1). Он представляет собой стержень длиной L, определяемой выражением (2), поверхность которого, обращенная в сторону измеряемой среды, представляет собой шаровой сегмент радиусом R, определяемый выражением (3). Части 6 и 7 корпуса 5 соединены между собой с помощью сварки 11, при этом центр торца ПОВ 2 должен находится на одной оси с центром торца ЧЭ 4 (рисунок 2). Расстояние между общим торцом ОВ 2, 3 и торцом ЧЭ 4 Xi ≈ 0…0,01 мм (рисунок 1). При расчете параметров R, L не учитывается Хi из-за очень малых значений. Устройство работает следующим образом. Излучение источника излучения 1 направляется по ПОВ 2 к ЧЭ 4 (рисунок 1). Поток излучения, излучаемый торцом ПОВ 2, падает на торец ЧЭ 4 под апертурным углом NA , преломляется и распространяется по нему под углом sin NAn0 n1 arcsin до шарового сегмента, на который падает под углом α, удовлетворяющим условию (4) (рисунок 2). 8 1 2 3 10 7 Xi 11 9 6 4 5 Рисунок 1 – Конструкция волоконно-оптического сигнализатора уровня жидкости L c C c Xi C p D p B D A M a g A B Mg ООВ a R a Q О О NA ПОВ R s s ООВ f a dО y dС j a y e ea S . T n 0 . a . 0 y n a a В.СР S y b b f a n А n T 1 l А A- A ПОВ - подводящее оптическое волокно ООВ - Отводящее оптическое волокно Рисунок 2 – Ход лучей в чувствительном элементе При отсутствии контакта ЧЭ с жидкостью лучи переотражаются от шарового сегмента под углом α и возвращаются обратно по ЧЭ путем переотражения от цилиндрической поверхности под углом 90 , определяемым из Δ АВС, до выходного торца ЧЭ и падают на него под углом 90 , который находят из Δ АD, далее лучи преломляются и выходят из ЧЭ, падая на торцы ООВ. Определено из Δ АOD χ=180- α – γ, где γ = ε – mβ, где ε = 180 – ; m = ε / β – количество отражений от шарового сегмента, причем берется только целая часть (т.е. m = 1, 2, 3… и т.д.). Из треугольников Δ STO и Δ AOS = 90 – α – ; β = 180 – 2α. Проведенные расчеты по формуле (4) для стержня из кварцевого стекла, материал которого удовлетворяет условию (1), и жидкостей с коэффициентом преломления n > 1,25 показали, что максимальный перепад сигнала Q будет обеспечен, если световой поток переотражается от шарового сегмента под углом α, равным: 49 5 52 10 ; (6) 52038/ 540 45/ ; 57015/ 520 ; 450 460 23/ ; 0 / 2 0 / Т.е. при отсутствии контакта шарового сегмента с жидкостью при падении луча под углом α на шаровой сегмент происходит полное внутреннее отражение, и луч отражается от шарового сегмента под углом sinαотр.= sin n1 , n0 где αотр – угол отражения от шарового сегмента. Для углов падения α, приведенных в выражении (6) и отвечающих выражению (4), определено, что sinαотр.>1. Это означает, что преломленный луч отсутствует и падающий луч будет возвращаться обратно в среду, из которой он падает, под углом αотр = α [3]. При контакте шарового сегмента с жидкостью происходит нарушение условия полного внутреннего отражения и часть светового потока выходит из стержня под углом sinαвых.= sin n1 , nВ.СР где nв.ср.> 1,25 – коэффициент преломления жидкости; αвых – угол преломления. Таким образом, для обеспечения нужного значения угла падения α, удовлетворяющего выражению (4), при котором будет выполняться и нарушаться условие полного внутреннего отражения при отсутствии контакта с жидкостью и при контакте с жидкостью соответственно, рассчитывают конструктивные параметры L, R по формулам (2) и (3), отвечающие условию (5), которые обеспечат максимальный перепад сигнала и минимальные потери светового потока в зоне измерения. Расчетным путем доказано, что конструктивные параметры R и L, удовлетворяющие условию (5), обеспечивают при отсутствии контакта стержня с жидкостью попадание светового потока от подводящего оптического волокна в отводящие оптические волокна. ЛИТЕРАТУРА 1. Мурашкина Т.И. Волоконно-оптический сигнализатор уровня жидкости // Радиотехника. 1995. № 10. 2. Серебряков Д. И., Мурашкина Т. И., Волоконно-оптический сигнализатор уровня жидкости, Россия, заявка на изобретение №2005141285, МПК G 01 F 23/22, 28.12.2005. 3. Мурашкина Т.И. Теория, расчет проектирование волоконно-оптических измерительных приборов и систем: Учебное пособие. – Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 1999. 3