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

23 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

29028. Определение глубины заложения фундамента исходя из инженерно-геологических и гидрогеологических условий строительной площадки 31.5 KB
  Этот выбор производится на основе предварительной оценки прочности и сжимаемости грунтов по геологическим разрезам. Покажем это на примере рассмотрев 3 наиболее характерные схемы напластований грунтов приведенные на рис. Площадка сложена одним или несколькими слоями прочных грунтов при этом строительные свойства каждого последующего слоя не хуже свойств предыдущего. В этом случае глубина заложения фундамента принимается минимальной допускаемой при учёте сезонного промерзания грунтов и конструктивных особенностей сооружения рис.
29029. Учёт глубины сезонного промерзания грунтов при выборе глубины заложения фундаментов зданий и сооружений 20.5 KB
  Учёт глубины сезонного промерзания грунтов при выборе глубины заложения фундаментов зданий и сооружений. Глубина заложения фундамента из условия промерзания грунтов назначается в зависимости от их вида состояния начальной влажности и уровня подземных вод в период промерзания. Как непучинистые рассматриваются также пески мелкие и пылеватые с любой влажностью а также супеси твёрдой консистенции если уровень подземных вод во время промерзания находится от спланированной отметки земли на глубине равной расчётной глубине промерзания плюс 2 м...
29030. Определение глубины заложения фундаментов с учётом конструктивных особенностей сооружения, включая глубину прокладки подземных коммуникаций, наличие и глубину заложения соседних фундаментов 31.5 KB
  Определение глубины заложения фундаментов с учётом конструктивных особенностей сооружения включая глубину прокладки подземных коммуникаций наличие и глубину заложения соседних фундаментов. Основными конструктивными особенностями возводимого сооружения влияющими на глубину заложения его фундамента являются: наличие и размеры подвальных помещений приямков или фундаментов под оборудование; глубина заложения фундаментов примыкающих сооружений; наличие и глубина прокладки подземных коммуникаций. В зданиях с подвалом или полуподвалом а также...
29031. Определение размеров подошвы центрально нагруженных фундаментов мелкого заложения 63.5 KB
  Реактивное давление грунта по подошве жёсткого центрально нагруженного фундамента принимается равномерно распределённым интенсивностью: 1 где NoII расчётная вертикальная нагрузка на уровне обреза фундамента; GfII и GgII расчётные значения веса фундамента и грунта на его уступах см.1; А площадь подошвы фундамента. Площадь подошвы фундамента при его расчёте по второму предельному состоянию по деформациям определяется из условия: pII ≤ R 2 где R расчётное сопротивление грунта основания. Поскольку обе части неравенства 2...
29032. Определение размеров подошвы внецентренно нагруженных фундаментов мелкого заложения. Эпюры давлений под подошвой фундамента. Порядок расчёта 33 KB
  Эпюры давлений под подошвой фундамента. При расчёте давление по подошве внецентренно нагруженного фундамента принимают изменяющимся по линейному закону а его краевые значения при действии момента сил относительно одной из главных осей определяют как для случая внецентренного сжатия по формуле: 1 Подстановкой значений А=l·b W=b2l 6 и M=NII·e формула 1 приводится к виду 2 2 где NII суммарная вертикальная нагрузка на основание включая вес фундамента и грунта на его уступах; A площадь подошвы фундамента; е эксцентриситет...
29033. Гидроизоляция фундаментов. Защита подвальных помещений от сырости и подтопления подземными водами 42 KB
  Гидроизоляция фундаментов. Гидроизоляция предназначается для обеспечения водонепроницаемости сооружений антифильтрационная гидроизоляция а также защиты от коррозии и разрушения материалов фундаментов и подземных конструкций от агрессивных подземных вод антикоррозионная гидроизоляция. Гидроизоляция от сырости и грунтовых вод подвальных и заглубленных помещений является значительно более сложной выбор такой гидроизоляции зависит от гидрогеологических условий строительной площадки уровня подземных вод их агрессивности особенностей...
29034. Расчёт фундаментов по второй группе предельных состояний. Определение конечной осадки фундаментов мелкого заложения методом послойного суммирования 34 KB
  Расчёт оснований фундаментов по второй группе предельных состояний по деформациям производится исходя из условия: s ≤ su 1 где s конечная стабилизированная осадка фундамента определённая расчётом; su предельное значение осадки устанавливаемое соответствующими нормативными документами или требованиями проекта. После определения размеров подошвы фундамента и проверки условия pII ≤ R где рII среднее давление на основание по подошве фундамента a R расчётное сопротивление грунта ось фундамента совмещают с литологической колонкой...
29035. Расчёт фундаментов по второй группе предельных состояний. Определение конечной осадки фундаментов мелкого заложения методом эквивалентного слоя 31.5 KB
  Расчёт фундаментов по второй группе предельных состояний по деформациям заключается в выполнении условия s ≤ sw 1 где s конечная стабилизированная осадка фундамента определённая расчётом; sw предельное значение осадки устанавливаемое соответствующими нормативными документами или требованиями проекта. Конечная стабилизированная осадка фундамента может быть определена методом эквивалентного слоя. Осадка с учётом жёсткости и формы подошвы фундамента в случае однородного основания определяется по формуле: s=p0hэmv 2 где p0 ...
29036. Определение расчётного сопротивления грунтов основания по таблицам СНиП 23 KB
  Тип песчаного грунта пески гравелистые крупные средней крупности и т. Плотность сложения песчаного грунта плотный средней плотности рыхлый. Устанавливается по таблице в зависимости от типа песчаного грунта и его коэффициента пористости: 1 где γ удельный вес грунта; γs удельный вес твердых частиц; w влажность грунта. Степень влажности песчаного грунта Sr маловлажный влажный насыщенный водой: 2 где γs удельный вес воды.