18147

Способы компенсации дрейфа ВОД

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Лекция 14. Способы компенсации дрейфа ВОД. ВОД для измерения механических величин Недостатком ВОД является дрейф нуля. Известны следующие способы компенсации дрейфа нуля: преобразование переменного тока в постоянный рис.14.1 а. При этом переменная сост

Русский

2013-07-06

2.6 MB

4 чел.

Лекция 14.

Способы компенсации дрейфа ВОД.

ВОД для измерения механических величин

Недостатком ВОД является дрейф нуля.

Известны следующие способы компенсации дрейфа нуля:

  1.  преобразование переменного тока в постоянный (рис.14.1 а)).

При этом переменная составляющая выходного сигнала датчика отделяется от постоянной. Мощность света, воспринимаемая детектором, определяется соотношением:

    (14.1)

 – среднее значение мощности лазерного излучателя.

Отделив переменную составляющую можно измерять глубину модуляции  , при этом повысится точность измерения.

Рис.14.1. Способы компенсации дрейфа датчика:

а) преобразование «переменный ток – постоянный ток»; б) метод обратной связи

  1.  метод обратной связи (рис.14.1 б)).

При этом способе постоянная составляющая выходного сигнала сравнивается с предварительно установленным опорным напряжением, и разностный сигнал применяют для обратной связи в процессе регулировки тока возбуждающего излучателя. При наличии дрейфа в этом способе стабилизируют значение . Метод применяется при определении сигнала переменного тока.

  1.  способ двух выходных световых лучей.

Применим только для ВОД, работающих с поляризованным светом (рис.14.2 в)).

Рис. 14.2. Компенсация дрейфа датчика методом двух выходных световых лучей

Мощность выходного сигнала датчика, воспринимающего световые лучи в двух взаимно-перпендикулярных  поляризованных плоскостях  определяется соотношениями:

    (14.2)

    (14.3)

В блоке обработки вычисляется следующее отношение:

           (14.4)

Выходное напряжение сигнала после обработки становится пропорциональным и не зависит от  .

  1.  метод двух длин волн (14.3).

В светочувствительную часть датчика поочередно или одновременно подаются световые сигналы с длинами волн и . Интенсивность сигнала на длине волны модулируется при измерении и сигнала, а на длине волны не модулируется. На выходе получается соотношение электрических напряжений первого и второго сигнала.

Рис. 14.3. Компенсация дрейфа датчика методом двух длин волн

ВОД для измерения механических величин

С  помощью таких ВОД  можно измерить давление, вибрации, ускорение и другие механические параметры.

Датчик для измерения давления показан на рис.14.4. Параметры датчика: диаметр жгута – до1,5мм; количество световодов – 100; толщина диафрагмы –15 мкм.

Рис. 14.4. Датчик для измерения давления ( Па)

Схема датчика, предназначенного для измерения вибрации, приведена на рис.14.5.

Рис.14.5. Схема датчика, предназначенного для измерения вибрации

Датчики давления, построенные на основе явлений ПВО и  дифракции, показаны на рис.14.6.

Рис.14.6. Датчик давления, построенный

на основе явления ПВО и дифракции

Схемы датчиков давления и ускорения на основе эффекта фотоупругости приведены на рис.14.7.

Рис.14.7. Схема датчика давления и ускорения, построенного

на основе эффекта фотоупругости

Значения постоянных фотоупругости для некоторых некристаллических материалов, применяемых в этих датчиках, приведены в таблице 14.1

Таблица 14.1.

Схема датчика ускорения с использованием туннельного эффекта показана на рис.14.8.

Рис.14.8. Схема датчика ускорения с использованием

туннельного эффекта

Световая мощность, которая измеряется с помощью  фотоприемного устройства для датчика, приведенного на рис. 14.7 определяется соотношением:  

    (14.5)

     (14.6)  

– измеряемое давление;

– полуволновое давление;

С – постоянная фотоупругости;

- длина волны излучения;

- длина материала вдоль оси датчика.

Математическая модель, которая характеризует выходной сигнал (ток фотоприемника) описывается соотношением:

  (14.7)

– мощность оптического излучения;

– функция преобразования датчика;

– величина, которая измеряется с помощью ВОД;

– внешнее влияние;  

– интегральная токовая чувствительность фотоприемника;

– коэффициент пропускания.

Для приведенных схем акселерометра их математические модели будут отличаться только функцией преобразования датчика.

Для  схемы датчика, показанного на рис. 14.7, математическая модель будет иметь следующий вид:

  (14.8)

– мощность излучателя;

– сейсмическая масса;

– измеряемое ускорение;

– постоянная фотоупругость материала;

–  длина фотоупругого материала вдоль оптической оси;

– площадь датчика под сейсмической массой; 

– реальна токовая чувствительность;

, , и – коэффициенты потерь в атмосфере, поляризационные, потери на поглощение и потери Френеля соответственно.

Конкретизированная математическая модель ВОД на основе туннельного эффекта (рис.14.8) имеет следующий вид:

    (14.9)

– коэффициенты отражения для волн, поляризованных во взаимно перпендикулярных плоскостях;

– мощность излучения, поступающего на входной торец световода;  

– мощность оптического излучения;

– мощность излучения, которое вводится в пластинку в результате нарушения явления ПВО;

- площадь входного торца фотоприемного устройства;

- площадь катетной грани призмы;

– реальна токовая чувствительность.

Связь толщины зазора между стеклянной пластиной и призмой с измеряемым ускорением имеет следующий вид:

   (14.10)

  – соответственно радиус, толщина, модуль Юнга и коэффициент Пуассона стеклянной пластины;  

– начальное значение зазора;

– сейсмическая масса;

– площадь стеклянной  пластины;

– измеряемое ускорение.

Реальная токовая чувствительность  датчика определяется следующим соотношением:

           (14.11)

– интегральная токовая чувствительность фотоприемника;

– коэффициент использования светового потока.

Величину коэффициента использования светового потока можно найти из соотношения:

   (14.12)

– спектральная характеристика светового потока излучения, падающего на  фотоприемник;

– спектральная чувствительность фотоприемника, измеренная по эталону.

Коэффициент пропускания системы может быть рассчитан с использованием матриц Мюллера. Уравнение, применяемое при этом, имеет следующий вид:

  (14.13)

и – вектора Стокса выходящего и падающего излучения;

– матрица Мюллера фазовой пластинки;

– матрица Мюллера анализатора;

– матрица Мюллера фотоупругого элемента;

– матрица Мюллера поляризатора.

Вектора Стокса имеют следующий перечень параметров:

    

и – интенсивности выходящего и падающего пучков лучей;
, и – параметры, определяющие степень и вид поляризации выходного и падающего пучков излучения.