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

67798. РЕНТГЕНОГРАФИЧЕСКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОРИЕНИРОВКИ НЕОГРАНЕННЫХ МОНОКРИСТАЛЛОВ МЕТОДОМ ЛАУЭ 2.04 MB
  В методе Лауэ дифракционная картина получается от неподвижного монокристалла при облучении его непрерывным спектром рентгеновского излучения. Образцом может служить как изолированный кристалл, так и достаточно крупное зерно поликристалла.
67799. КОДИРОВАНИЕ ОТКРЫТОГО ТЕКСТА И ДВОИЧНЫХ ДАННЫХ 203 KB
  Информация подлежащая зашифрованию и расшифрованию представляется различными способами чаще всего в виде текстов записанных в некотором алфавите. Под кодированием обычно понимают представление информации в виде знаков букв алфавита. Алфавит конечное множество знаков используемых для кодирования информации.
67800. КОДУВАННЯ ВІДКРИТОГО ТЕКСТУ І ДВІЙКОВИХ ДАНИХ 190.5 KB
  Інформація, що підлягає зашифруванню і розшифруванню, представляється різними способами, найчастіше у вигляді текстів, записаних в деякому алфавіті. Під кодуванням звичайно розуміють представлення інформації у вигляді знаків (букв алфавіту). Знак – подія або матеріальний об'єкт, виникнення...
67801. Основи роботи в середовищі MatCAD 1.27 MB
  Запис змінних виконується з клавіатури, знаки операцій брати з плітри операцій або з клавіатури. Наприклад (див. приклад далі) При записі виразів зявляється курсор в вигляді кута (голубого кольору), горизонтальна та вертикальна частини якого показують до якої частини виразу буде записана наступна операція.
67802. МЕТОД ПОРОШКОВ 1.27 MB
  При исследовании образцов со сложной структурой и с большими периодами решетки для уменьшения возможности наложения дифракционных линий которых в этом случае получается очень много целесообразно применять длинноволновое излучение например хрома или железа. Промер линий должен проходить строго по середине рентгенограммы.
67803. ПІДСТАНОВКИ І ЛІНІЙНІ ПЕРЕТВОРЕННЯ 554 KB
  Мета роботи – вивчити основні властивості лінійних перетворень і підстановочних матриць, необхідні для математичного опису регістрів зсуву з лінійним зворотним зв’язком. Короткі теоретичні відомості. Векторні простори. Нехай – непорожня множина елементів будь-якої природи, які позначатимемо і нехай – деяке поле...
67804. ПОДСТАНОВКИ И ЛИНЕЙНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ 578.5 KB
  Цель работы – изучить основные свойства линейных преобразований и подстановочных матриц, необходимые для математического описания регистров сдвига с линейной обратной связью. Краткие теоретические сведения. Векторные пространства. Пусть – непустое множество элементов любой природы, которые будем обозначать...
67805. Основи роботи в середовищі MatCAD. Ознайомлення з методами рішення рівнянь 359.5 KB
  Рішнння систем нелінійних рівнянь або нерівностей Знайти рішення системи (таблиця №4 додаток). Виконати перевірку рішення. Знайти рішення при різних значення початкових даних. Визначити - система має один чи декілька розв’язків.
67806. ПРЕЦИЗИОННОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЕРИОДОВ РЕШЕТКИ 612 KB
  Одной из важнейших характеристик вещества является его период кристаллической решетки. По периодам решетки вещества можно судить об образовании, концентрации и типе твердого раствора, о наличии остаточных напряжений, определять коэффициенты термического расширения и решать многие другие металловедческие задачи.