18146

Принципы действия волоконно-оптических датчиков (ВОД) физических величин

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Лекция 13. Принципы действия волоконнооптических датчиков ВОД физических величин. ВОД делятся на два типа: датчики в которых волокно используется в качестве линий передачи сигнала; датчики в которых волокно является чувствительным элементом. Датчик

Русский

2013-07-06

1.24 MB

20 чел.

Лекция 13.

Принципы действия волоконно-оптических датчиков (ВОД) физических величин.

ВОД  делятся на два типа:

  1.  датчики, в которых волокно используется в качестве линий передачи сигнала;
  2.  датчики, в которых волокно является чувствительным элементом.

Датчики с использованием волокна в качестве линий передачи сигнала

Датчики этого типа могут строиться по схемам с использованием оптического преобразователя или с оптическим зондом.

Схема ВОД, построенная с использованием оптического  преобразователя и зонда, показана на рис.13.1.

Рис.13.1. Схема ВОД (волокно в качестве линий передачи сигнала):

а) с использованием оптического преобразователя;

б) с использованием оптического зонда.

ВОД используют в основном многомодовые световоды или волоконные жгуты. В качестве источника излучения применяют светодиоды и полупроводниковые лазеры, а приемника – p-i-n и ЛФД.

Принцип действия ВОД основан на измерении параметров, входящих в формулу напряженности электромагнитного поля, которая имеет следующий вид:

   (13.1)

– амплитуда сигнала;

– частота сигнала;  

– начальная фаза сигнала.

В соответствии с (13.1) эффекты, используемые в ВОД, следующие:

  1.  эффекты, связанные с изменением интенсивности или амплитуды  сигнала.

Один из вариантов схемы может быть основан на поглощении света. Например, ВОД температуры использует зависимость граничной длины излучения при поглощении света определенными типами полупроводников (рис. 13.2).

Рис. 13.2. Зависимость граничной длины излучения при поглощении света различными типами полупроводников

  1.  эффекты, связанные с отражением и влияющие на амплитуду, например,  датчики давления или вибрации (рис.13.3).

Рис.13.3. ВОД давления или вибрации

Чувствительность датчика зависит от взаимной ориентации осветительного и фотоприемного жгутов.

  1.  эффекты, связанные с модуляцией поляризованного света:
  2.  эффект Фарадея;
  3.  эффект Поккельса;
  4.  эффект фотоупругости.
  5.  эффекты, связанные с изменением частоты:
  6.  эффект Доплера (датчики скорости, расходомеры);
  7.  эффект релеевского рассеяния.
  8.  эффекты, связанные с изменением фазы
  9.  датчики интерферометрического типа.

Датчики с использованием волокна в качестве чувствительного элемента

Датчики этого типа бывают следующих разновидностей:

  1.  датчики интерферометрического типа (рис. 13.4) предназначены для измерения таких параметров, как:
  2.  температура;
  3.  давление;
  4.  деформация;
  5.  напряженность магнитного поля;
  6.  звуковое давление.

Рис.13.4. Схема датчика интерферометрического типа

 

  1.  датчик, основанный на использовании поляризационного света (рис.13.5), предназначенный для измерения таких параметров, как:
  2.  электрический ток;
  3.  напряженность магнитного поля.

Рис.13.5. Схема датчика, основанного на использовании

поляризованного света

 

  1.  датчики, основанные на измерении потерь в световоде (рис.13.6), предназначены для измерения звукового давления.

Рис.13.6. Схема датчика, основанного на измерении

потерь в световоде

  1.  датчики, использующие эффект рассеяние света (рис.13.7), предназначены для измерения таких параметров, как:
  2.  распределение температуры;
  3.  деформация.

Рис.13.7. Схема датчика, основанного на использовании

эффекта рассеяния света

Основными требованиями, предъявляемыми к ВОД, являются:

  1.  повышение отношения сигнал/шум;
  2.  уменьшения дрейфа нуля датчика.

Источниками шумов ВОД являются:

  1.  источник света:
  2.  собственный шум источника света;
  3.  флуктуацией выходной мощности;
  4.  изменение длины волны.
  5.  соединитель источника со световодом:
  6.  флуктуация потерь соединений источник света – оптическое волокно.
  7.  элементы оптической схемы датчика:
  8.  флуктуации вносимых потерь оптического соединителя и элемента оптической схемы.

На шумовые характеристики ВОД влияют факторы, представленные на рис. 13.8.

Рис.13.8. Факторы, влияющие на шумовые характеристики ВОД

 

Отношение сигнал/ шум  в ВОД определяется соотношением:

  (13.2)

– глубина модуляции;

– коэффициент усиления светового детектора;

– чувствительность приемника;

– шумы светового детектора;

х – коэффициент шума светового детектора;  

– тепловые шумы;  

– постоянная Больцмана;

Т – абсолютная температура;

– сопротивление нагрузки светового детектора;

– частотная полоса в детекторной системе;

– другие избыточные шумы.

На основании  формулы (13.2) можно наметить основные пути повышения отношения сигнал/шум в ВОД:

  1.  повысить глубину модуляции;
  2.  повысить мощность, оптимальный выбор ИИ, ПИ, волокна, снижение потерь;
  3.  оптимизация светового детектора;
  4.  понижение уровня избыточных шумов.

Основные виды шумов источников излучения следующие:

  1.  амплитудные;
  2.  фазовые.

Для уменьшения шумов в ВОД применяют следующие схемы:

  1.  уменьшение амплитудных шумов (рис. 13.10)

Рис.13.10. Схема ВОД, позволяющая уменьшить амплитудные шумы

  1.  уменьшение влияния фазовых шумов источника (рис.13.11)

Рис.13.11. Схема ВОД, позволяющая уменьшить влияние фазовых шумов источника

Схема стабилизации частоты основана на том, что при применении резонатора Фабри - Перро частотные шумы преобразуются в амплитудные. А затем по линии обратной связи регулируют ток инжекции лазера. Вследствие колебания интенсивности излучения потерь в оптических разъемах, потерь при согласовании, различных потерь датчика, потерь передачи по оптическому волокну возникает дрейф выходного сигнала и возрастает погрешность измерения.

 


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

23351. ЯВЛЕНИЕ РЕЗОНАНСА В ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОМ КОЛЕБАТЕЛЬНОМ КОНТУРЕ 207.5 KB
  2 Поскольку уравнение 2 можно записать в виде: 3 где =R 2L величина называемая коэффициентом затухания 02 = 1 LC собственная частота колебаний контура. При малых коэффициентах затухания 0 можно считать что резонансная частота приблизительно равна собственной частоте колебаний контура. Параметры резонансной кривой очень удобно выражать через величину добротности контура Q.
23352. ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА 182 KB
  ОСНОВЫ ТЕОРИИ Как известно из теории при приложении к RLC цепи рис.1 переменного напряжения в цепи возникает переменный ток сдвинутый по фазе относительно напряжения .1 Величина амплитуды тока определяется соотношением : 1 где импеданс цепи переменного тока.
23355. Изучение дифракции света 358.5 KB
  Исследуя дифракцию излучения лазера на щели и дифракционной решетке определить длину волны излучения лазера. На экране наблюдается дифракционная картина чередующиеся светлые и темные полосы параллельные щели. Длина щели намного больше длины волны света поэтому дифракционная картина вдоль щели отсутствует. Результирующая освещенность любой точки экрана направление на которую составляет с нормалью n к поверхности щели угол определяется интерференцией всех вторичных волн.
23357. ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОВ ПОЛЯРИЗАЦИИ СВЕТА 107.5 KB
  Направление плоскости поляризации можно изменить и контролировать с помощью лимба на поляризаторе. Снять с оптической скамьи анализатор и поляризатор. Поставить поляризатор и измерить фототок обусловленный плоскополяризованным светом ip .
23358. СЛОЖЕНИЕ ОДНОНАПРАВЛЕННЫХ И ВЗАИМНОПЕРПЕНДИКУЛЯРНЫХ КОЛЕБАНИЙ 383.5 KB
  СЛОЖЕНИЕ ОДНОНАПРАВЛЕННЫХ И ВЗАИМНОПЕРПЕНДИКУЛЯРНЫХ КОЛЕБАНИЙ. Цель работы: изучение эффектов возникающих при сложения однонаправленных и взаимно перпендикулярных гармонических колебаний. Представим каждое из колебаний как проекцию на ось X вектора длиной равной амплитуде вращающегося по часовой стрелке с угловой скоростью  рис. Тогда результат сложения колебаний можно представить как проекцию суммарного вектора .
23359. Изучение влияние емкости конденсатора на период колебаний в электрическом контуре 179.5 KB
  Основы теории Рассмотрим процесс возникновения колебаний в идеальном электрическом контуре осцилляторе рис. Таким образом можно сделать вывод что частота гармонических колебаний в идеальном электрическом контуре равна корню квадратному из коэффициента при заряде q формула 2: При этом период колебаний равен формула Томсона: 6 Связь периода колебаний с величинами С и L качественно объясняется следующим образом. С увеличением...