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

37273. Правоохранительные органы 175 KB
  Проработка включенных в программу тем дает отправные знания о понятии правоохранительной деятельности и её значении в российской правовой системе основных направлениях функциях и органах осуществляющих её о судебной власти правосудии и судах их построении и основных полномочиях об организационном обеспечении деятельности судов и органах его осуществляющих о прокурорском надзоре и прокуратуре о выявлении и расследовании преступлений и занимающихся этим учреждениях об адвокатской деятельности и адвокатуре иных формах оказания...
37274. Применение языка PHP, СУБД MySQL и фреймворка CodeIgniter для разработки динамических веб-сайтов 959 KB
  Курсовая работа посвящена возможностям применения языка PHP, системы управления базами данных (СУБД) MySQL, фреймворка CodeIgniter для разработки динамических веб-сайтов. Апробация данных технологий проводится на примере создания фронт-части (front-end) веб-сайта для сети мебельных магазинов «Комфорт+»
37275. Розрахунок і конструювання монолітного ребристого залізобетонного перекриття з балочними плитами 2.33 MB
  0184 Визначення кількості стержнів армування Розрахунок і конструювання другорядної балки Розрахункова схема балки Статичний розрахунок балки Уточнення розмірів перерізу балки Розрахунок міцності балки в нормальних перерізах Розрахунок міцності балки в похилих перерізах Розрахунок на дію поперечної сили Розрахунок на дію згинального моменту Побудова обгинаючої епюри моментів Побудова епюри матеріалів Конструювання перерізу 11 Конструювання перерізу 22 Конструювання перерізу 33 Розрахункові перерізи для епюри...
37276. Исследование методов и алгоритмов работы трансляторов предметно-ориентированных языков 889.5 KB
  Для описания семантических функций синтаксической диаграммы расстановки ссылок использованы следующие обозначения: Tb_Lexems[.Code массив кодов лексем; Tb_Lexems[.Vlue массив значений лексем; Number_Lexem номер очередной рассматриваемой лексемы в массиве лексем; Stek_do стек для циклов WHILE; Stek_if стек для развилок IF; Stek_cse стек для операторовпереключателей SWITCH; Stek_to стек для циклов FOR. Рисунок 3 Рсхема расстановки ссылок Семантические функции к Рсхеме расстановки ссылок на рисунке 3: y0:...
37277. Багатоповерхова каркасна будівля 525.5 KB
  Розрахунок та конструювання другорядної балки. Розрахункова схема балки. Статичний розрахунок балки. Конструктивний розрахунок допоміжної балки.
37278. Теория государства и права, учебник 4.32 MB
  Садовничий ректор Московского университета академик РАН профессор Введение Вопросам теории государства и права в отечественной и зарубежной юридической литературе традиционно уделяется большое внимание. Определение и основное разделение права М. Лекции по общей теории права СПб.
37279. ПРИМЕНЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЙ JAVA И JAVAFX ДЛЯ РАЗРАБОТКИ ВИРТУАЛЬНЫХ ЛАБОРАТОРИЙ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ 912.5 KB
  Методы моделирования в настоящее время внедрились практически во все сферы человеческой деятельности: технические, социально-экономические, сложные экономические, общественные, сферы международных отношений и др. Это связано с необходимостью расширения и углубления знаний реального мира. Существует множество реальных объектов и процессов, информацию о которых мы не можем получить из-за малости или масштабности размеров (объекты микро- и макрокосмоса); высоких или криогенных температур.
37281. Бухгалтерский и налоговый отчет в компании ООО «Экопласт» 423 KB
  Эти взаимоотношения основаны на различных денежных расчетах в процессе заготовления производства и реализации продукции товаров работ или услуг. Учет поступления товаров Дадим определение товаров на основании нормативных документов применяемых в Российской Федерации. Все операции куплипродажи товаров осуществляются на основании договора куплипродажи и его разновидностей договор поставки договор розничной куплипродажи и т. Основными целями бухгалтерского учета товарных операций является: своевременное и полное отражение на счетах...