Серебряков Д.И., Кривулин Н.П.

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