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

67515. Управление персоналом 208.5 KB
  Управление персоналом вид деятельности по руководству людьми отдельными работниками группами коллективом направленный на достижение целей фирмы предприятия путем использования труда опыта таланта этих людей и с учетом их удовлетворенности трудом. Основное внимание менеджера по персоналу...
67516. SYNONYMS 48 KB
  A carefully chosen word from a group of synonyms is a great asset not only on the printed page but also in a speaker's utterance. It was Mark Twain who said that the difference between the right word and just the right word is the difference between the lightning and the lightning-bug.
67517. Электропривод как система. Классификация электроприводов. Общие требования к электроприводу. Состав электропривода и назначение его элементов 94.5 KB
  Электрический привод совокупность электродвигательного устройства ЭД передаточного устройства ПУ управляющего устройства УУ усилительно-преобразовательного устройства УПУ и информационного устройства ИУ см. Функциональная схема электропривода Информационное устройство ИУ содержит датчики сигналов.
67518. Учение о биосфере. Ресурсы биосферы и пути их рационального использования 100.5 KB
  Правильно понять найти рациональное решение проблемы взаимодействия системы общество техника природа помогает учение о биосфере принадлежащее русскому ученому Владимиру Ивановичу Вернадскому. К ним относятся: энергия Солнца и ветра почвы земельные ресурсы растения животные минеральное сырьё вода и др.
67519. Уравнения и характеристики двигателя постоянного тока независимого возбуждения. Управление напряжением якоря 131.5 KB
  Механические характеристики двигателя рассматривались без учета реакции якоря, т.е. влияния тока якоря на основной магнитный поток. Различают поперечную, продольную и коммутационную реакции якоря. Поперечную реакцию якоря можно учесть зависимостью...
67520. Жесткость механической характеристики. Управление реостатное и магнитным потоком 116.5 KB
  Для управления электродвигателем последовательно с обмоткой якоря включают реостат или изменяют ток возбуждения и магнитный поток. На рис. 3.2 показана схема включения двигателя постоянного тока с двумя управляющими реостатами.
67521. Уравнения и характеристики двигателя постоянного тока последовательного возбуждения. Управление напряжением и реостатное 225.5 KB
  Схема включения двигателя последовательного возбуждения показана на рис. Схема включения двигателя последовательного возбуждения Уравнение баланса напряжений и выражения для ЭДС и электромагнитного момента имеют вид: U = rя rв I Eя; 4. Механические характеристики двигателя последовательного возбуждения...
67522. Причины и признаки экологического кризиса. Глобальные экологические проблемы 114 KB
  По ходу развития цивилизации перед человечеством неоднократно возникали сложные проблемы порою планетарного характера. В полной мере эти проблемы проявились уже во второй половине и в особенности в последней четверти XX века то есть на рубеже двух веков и даже тысячелетий.
67523. Управление шаговым двигателем с реактивным ротором и линейным шаговым двигателем с постоянным магнитом 273.5 KB
  Фазы обмотки питаются прямоугольными импульсами напряжения. В ответ на каждый импульс ротор поворачивается на определенный угол и останавливается в ожидании следующего импульса. Показаны пути замыкания магнитного потока Ф созданного фазой А при подаче на нее импульса напряжения U0.