Студопедия

Главная страница Случайная страница

Разделы сайта

АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника






Принцип действия оптоэлектронных преобразователей






Оптический канал (рис. 2.40) может быть выполнен, например, в виде двух световодов (единичных оптических волокон или жгутов волокон) с промежутком между ними. Поток излучения от источника вводится в передающий световод 1. На выходе передающего световода в зоне измерений формируется поток излучения, заключенный в конусе апертуры световода. Часть потока излучения падает на вход световода 2, выводится из зоны измерений к фотоприемнику и преобразуется в пропорциональный электрический сигнал.

 

Рис. 2.40. Схема ОЭП с внешней модуляцией

Физическую основу работы таких оптоэлектронных преобразователей составляет изменение (под действием измеряемого параметра) интенсивности излучения, проходящего с выхода передающего световода на вход приемного световода в соответствии с диаграммой направленности, светопропусканием световодов и способами модуляции.

Если излучение, проходя через слой вещества, не ослабляется, то достаточно рассматривать лишь показатель преломления п вещества. Если же излучение ослабляется, то вводится другая константа вещества – коэффициент экстинкции k. Пусть на слой вещества толщиной d в падает поток излучения мощностью Р вх. В общем случае выходная мощность излучения Р вых определится выражением

Р вых = Р вх ехр(–k d в).

Коэффициент экстинкции k определяет потери оптического излучения за счет поглощения и рассеяния света. Если рассеяние не играет существенной роли по сравнению с поглощением, то коэффициент экстинкции называется коэффициентом поглощения. Если же можно пренебречь поглощением по сравнению с рассеянием, то говорят о коэффициенте экстинкции, обусловленном рассеянием.

При описании поглощающих свойств вещества используют также понятие показатель поглощения k п, который связан с коэффициентом экстинкции (в данном случае он определяется коэффициентом поглощения вещества) выражением

 

k п = (1/4π)kλ,

где λ – длина волны излучения в вакууме.

Наличие у вещества поглощающих свойств приводит к необходимости использования комплексного показателя для описания процессов отражения и преломления падающей на границу с этим веществом волны. Его так и называют: комплексный показатель преломления п*:

п* = n – ik п.

Комплексный показатель преломления п* позволяет использовать выражения для амплитуд и энергий отраженной и преломленной волн путем формальной замены показателя преломления п среды комплексным показателем преломления п*.

Для ОЭП характерны два основных способа получения измерительной информации. Первый способ отражает работу ОЭП рефлектометрического типа, для которых наиболее характерно отсутствие контакта с объектом измерений или вспомогательным измерительным звеном. Здесь поток излучения с выхода передающего световода направляется на отражающую поверхность объекта и часть отраженного потока, зависящая от положения поверхности объекта, ее формы и отражающих свойств, воспринимается входным торцом приемного световода.

При конструировании световодных датчиков должны выполняться также следующие требования:

а) в конструкции датчика должны содержаться элементы, обеспечивающие осуществление выбранного вида модуляции – изменения параметров светового потока под влиянием исследуемого эффекта;

б) конструкция датчика должна предусматривать возможно более узкую специализацию его использования в заданном диапазоне измерения значений исследуемого эффекта (а не универсальность его применения).

Оптические волноводы, соединяющие модулятор с одной стороны с источником света, а с другой – с фотоприемником, должны быть пассивными и, по возможности, нечувствительными к каким-либо внешним физическим возмущениям.

В световодных датчиках могут модулироваться интенсивность проходящего через датчик излучения (амплитудная модуляция), фаза (фазовая модуляция), состояние поляризации света, спектральный состав излучения.

С учетом того, что в данном случае волоконно-оптический канал в значительной степени определяет метрологические и конструктивные характеристики преобразователей, а также того, что модуляция потока излучения осуществляется в промежутке между двумя световодами, эти устройства в литературе часто называют волоконно-оптическими преобразователями (ВОП).

Волоконно-оптические преобразователи имеют такие преимущества [13, 15], как слабая зависимость результатов измерений от температуры, электромагнитных полей большой интенсивности и вибраций в зоне измерений, стойкость к агрессивным средам и химическая инертность, высокая локальность измерений, возможность получения заданных конструктивных и метрологических характеристик за счет конструкции волоконно-оптических каналов при использовании серийно выпускаемой элементной базы (источников излучения, фотоприемников, оптических волокон).

Общая структура преобразований в оптическом (волоконно-оптическом) датчике представлена на рис. 2.41. В процессе измерения внешнего воздействия в ОЭП происходит ряд взаимосвязанных преобразований [16]: предварительное, физического эффекта, модуляционное и фотоприемное.

 


Рис. 2.41. Общая структура преобразований в оптическом датчике

В качестве внешнего воздействия F вхмогут выступать напряженность электрического и магнитного полей Е и Н, ток I, температура Т, линейное ускорение а, угловая ω и линейная v скорости, сила F, давление р и др., т.е. внешнее воздействие может быть электрического, магнитного, теплового, механического, химического, радиационного и других типов.

Схема предварительного преобразования необходима, если нельзя непосредственно измерить внешнее воздействие (например, линейное ускорение) или если в наличии уже имеется датчик для измерения другого физического параметра.

Для того, чтобы полнее использовать ОЭП, важно знать методы, применяя которые внешнее воздействие F вхможно преобразовать в измеряемую величину F изм, например температуру – в давление. Здесь одним из способов является использование происходящего при нагреве расширения газа, жидкости или твердого тела, которое сдерживается каким-либо образом, благодаря чему возникает давление.

Одним из наиболее характерных измеряемых параметров является перемещение, которое относительно просто вызывается различными физическими эффектами (рис. 2.42).

Схема предварительного преобразования может использовать разнообразные физические принципы и быть электромеханической, магнитомеханической, механической, электромагнитной и т.д.

Под действием измеряемой величины (Е, H, I, Т, F, р идр.) с помощью какого-либо физического эффекта (электро- или магнитооптического, пьезоэлектрического, акусто- или пьезооптического и др.) происходит изменение оптических параметров хi среды, по которой распространяется излучение (показателя преломления n, коэффициента поглощения света k, линейных размеров l).

Рис. 2.42. Взаимосвязь параметров при измерении

Оптическая схема, в которой осуществляется амплитудная, фазовая, поляризационная, частотная, спектральная, временная или пространственная модуляция, связывает изменение оптического параметра хi среды, индуцированное измеряемой физической величиной, с параметром проходящей через датчик оптической волны уi (амплитудой А, фазой φ, поворотом плоскости поляризации а, длиной волны λ, временем задержки импульса отклика t, пространственными координатами регистрируемого излучения х, у). Среди используемых принципов действия оптических схем модуляции следует отметить изменение отражательной или пропускательной способности среды, нарушение полного внутреннего отражения, управляемую связь волноводов, изменение поглощения среды (амплитудная модуляция); изменение длины ячейки или оптической длины среды, поперечных размеров волновода (фазовая модуляция); поворот плоскости поляризации и изменение типа поляризации (поляризационная модуляция); смещение края полосы поглощения и перемещение светофильтров (спектральная модуляция).

Для детектирования и измерения изменений оптического параметра среды могут использоваться различные фотоприемные схемы. Они осуществляют непосредственное измерение мощности сигнала либо содержат дополнительные устройства: интерферометрическую схему или анализатор угла поворота плоскости поляризации, светофильтр или спектрально-чувствительный фотоприемник (для измерения длины волны), позиционно-чувствительные фотоприемник и светофильтр (для измерения пространственных координат излучения). Практически во всех случаях окончательно регистрируемой величиной является амплитуда тока на выходе фотоприемника I фп. Многообразие физических эффектов, схем модуляции и фотоприемных схем обусловливает обилие возможных вариантов реализации даже при регистрации одной физической величины.

В основу классификации оптических датчиков целесообразно положить различие в оптических схемах модуляции, которое во многом предопределяет существо не только преобразования измеряемого воздействия F измв изменение параметров оптического излучения, но и предварительного и фотоприемного преобразований.

Математическую основу ОЭП составляет модель функции преобразования, которая по аналогии с моделью оптрона может быть представлена зависимостью тока фотоприемника от множества параметров внешних факторов.






© 2023 :: MyLektsii.ru :: Мои Лекции
Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав.
Копирование текстов разрешено только с указанием индексируемой ссылки на источник.