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

12945. Моя будущая профессия 347.5 KB
  Класс: 8 А Вид воспитательной деятельности: интеллектуально-познавательная деятельность. Форма воспитательной работы: беседа. Тема: Моя будущая профессия. Цели: образовательные: раскрытие учащимися практической и теоретической значимо
12946. Тренинг-классный час с презентацией о вреде алкоголя 315.58 KB
  Тренингклассный час с презентацией о вреде алкоголя Данный урок взят с сайта Фестиваль педагогических идей. Автор открытого урока Волкова Оксана Викторовна. Этот прекрасный подход в объяснении нашим детям вреда алкоголя можете применить и вы разговаривая с собстве
12947. Газ опасным может стать, если правила не знать 44.5 KB
  Тема: Газ опасным может стать если правила не знать Цели: познакомить учащихся с правилами обращения с газом сформировать у подрастающего поколения знания о правилах безопасного пользования газом в быту способствовать формированию у учащихся представлений ...
12948. Анализ воспитательного мероприятия на тему «Кто такой настоящий друг» 16.88 KB
  Анализ воспитательного мероприятия. Воспитательное мероприятие на тему Кто такой настоящий друг было проведено мной Силантьевой Екатериной Геннадьевной в 1А классе СОШ №4. Тема классного часа: Кто такой настоящий друг Форма проведения: конкурсная программа с э
12949. Психолого-педагогический анализ воспитательного дела 18.14 KB
  Психологопедагогический анализ воспитательного дела Школа: специализированная школа №43 Класс: 6Б Вид работы: классный час Дата: 16.04.2013 Тема: Вред от сигарет Проведен: Берстнев Д.С. Анализ Тема данного классного часа была включена в план воспитательн...
12950. Классный час «Навечно памятью дано» 56.5 KB
  КЛАССНЫЙ ЧАС НАВЕЧНО ПАМЯТЬЮ ДАНО Классный час Навечно памятью дано устный исторический журнал Цель: патриотическое воспитание школьников. Задачи: воспитывать любовь к Родине патриотизм чувство товарищества гордость за славные боевые традиции стра...
12951. Классный час «Василий Тёркин» - строки, опалённые войной 73.5 KB
  Единый классный час Василий Тёркин строки опалённые войной к 70 летию со дня начала публикации в газете Западного фронта Красноармейская правда поэмы А.Т. Твардовского Василий Тёркин Цели урока: 1 раскрыть гражданское мужество поэта; показать роль по...
12952. Методика организации и проведения классных часов 100.5 KB
  ТЕМА: Методика организации и проведения классных часов. ПЛАН Понятие классный час его задачи. Функции классного часа. Формы проведения классных часов. Подготовка классного часа. Проведение классного часа. Понятие классный...
12953. Неформалы – путь к себе или от себя. Классный час для школьников 6-го класса 41.54 KB
  Классный час для школьников 6го класса Тема: Неформалы путь к себе или от себя НЕФОРМАЛЫ ПУТЬ К СЕБЕ ИЛИ ОТ СЕБЯ Час общения о неформальных движениях Что не развилось в молодости То останется не развитым на всю жизнь Д.И.Писарев Кто в 16 лет не революционе...