18148

Датчики для измерения электрических величин

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Лекция 15. Датчики для измерения электрических величин. ВОД с волокном в качестве чувствительного элемента Датчик магнитного поля на основе эффекта Фарадея Схема датчика магнитного поля на основе эффекта Фарадея показана на рис.15.1. Рис.15.1. Схема датчика магнитн...

Русский

2013-07-06

2.22 MB

15 чел.

Лекция 15.

Датчики для измерения электрических величин.

ВОД с волокном в качестве чувствительного элемента

Датчик магнитного поля на основе эффекта Фарадея

Схема датчика магнитного поля на основе эффекта Фарадея показана на рис.15.1.

Рис.15.1. Схема датчика магнитного поля

Принцип действия датчика основан на вращении плоскости поляризации элементом Фарадея под действием магнитного поля.

Угол поворота плоскости поляризации определяется из следующего соотношения:

    (15.1)

– постоянная Верде;

– напряженность магнитного поля;

– длина элемента Фарадея.

В качестве материалов для элемента Фарадея используют диэлектрики, ферромагнетики.

В диэлектриках (BSO) имеет место эффект оптической активности под влиянием эффекта фотоупругости. Угол поворота плоскости поляризации определяется следующим соотношением:

    (15.2)

– постоянная фотоактивности матариала.

Для ферромагнетиков угол поворота плоскости поляризации определяется соотношением:

       (15.3)

–магнитный поток, соответствующий состоянию насыщения;

– угол поворота плоскости поляризации при напряженности магнитного поля .

 – напряженность магнитного поля;

– длина фоточувствительного элемента.

Один из вариантов оптико-магнитной части датчика магнитного поля показано на рисунке 15.2

Рис.15.2. Оптико-магнитная часть датчика магнитного поля

Схема части магнитного датчика с объединением оптических элементов показана на рисунке 15.3.

Рис.15.3. Часть магнитного датчика с объединенными оптическими элементами

Датчик для измерения напряженности электрического поля на основе эффекта Поккельса

Структурная схема такого датчика показана на рисунке 15.4. В качестве материала в таких датчиках применяют ниабат лития

Рис. 15.4. Схема датчика для измерения напряженности электрического поля на основе эффекта Поккельса: , – главные оптические оси кристалла;

– ось, в направлении которой действует приложенное электрическое поле.

Световая мощность на выходе датчика определяется соотношением:

   (15.4)

– средняя мощность излучения источника излучения при отсутствии электрического поля;

– приложенное электрическое напряжение;

– полуволновое напряжение, при котором фаза сигнала сдвигается на . 

Величина полуволнового напряжения определяется согласно формуле:

       (15.5)

–  электрооптический коэффициент;

– показатель преломления чувствительного элемента при отсутствии приложенного напряжения.

Зависимость сдвига фазы сигнала от приложенного электрического поля имеет следующий вид:

             (15.6)

– напряженность электрического поля.

Датчик для измерения напряжения или силы тока с использованием пьезоэлемента

Схема датчика для измерения напряжения или силы тока показана на рис.15.5.

Рис.15.5. Схема датчика для измерения напряжения или силы тока с использованием пьезоэлемента: 1 – пластина пьезоэлемента;

2 – чувствительный световод; 3 – приемный световод.


ВОД с волокном в качестве чувствительного элемента

Некоторые схемы таких датчиков показаны на рисунке 15.6. 

Рис.15.6. Структурные схемы ВОД с волокном в качестве чувствительного элемента

Большинство типов этих датчиков используют различные виды волоконно-оптических интерферометров (ВОИ). Схемы некоторых ВОИ показаны на рисунке 15.7.

Рис. 15.7. Схемы ВОИ: а – кольцевой; б – кольцевой Фабри; в – Маха-Цендера;

г – Майкельсона; д – Фабри-Перро; е – с поляризованными модами

ВОД с волокном в качестве чувствительного элемента в основном реагирует на изменение фазы оптического сигнала. Эти изменения возникают при внешних воздействиях на световод, обусловленных механическими деформациями, давлением, температурой, магнитным или электрическим полем.

Изменение фазы электромагнитного излучения, распространяющегося в световоде, может быть определено из соотношения:

   (15.7)

 и – длина и изменение длины световода;

 и – постоянная распространения и ее изменение в световоде.

Изменение определяется из следующего соотношения:

      (15.8)

– отклонение показателя преломления;

– изменение радиуса сердцевины световода.

ВОД фазовой модуляции в основном строится на основе схемы интерферометра Маха-Цендера. Принцип действия основан на изменении оптической длины хода в одном из каналов, при этом регистрируемая фотодетектором мощность пропорциональна:

    (15.9)

– изменение фазы в одном из каналов.

Изменение фазы в канале можно определить пользуясь следующим соотношением:

    (15.10)

– изменение оптической длины хода луча в одном из каналов.

На этом принципе основана схема работы датчика звукового давления, которая показана на рисунке 15.8.

Рис.15.8. Структурная схема датчика звукового давления

Изменение сигнала на выходе приемника пропорционально:

   (15.11)

– мощность излучателя;

– пропускание системы;

– чувствительность фотоприемника;

– изменение фазы.

Изменение в сигнальном световоде обусловлено внешним звуковым давлением. Это изменение определяется из соотношения:

        (15.12)

– длина сигнального световода;  

– изменение звукового давления.

Звуковое давление меняет показатель преломления. Для световода изменение показателя преломления определяется из соотношения:

  (15.13)

– поперечное и продольное напряжение в световоде при воздействии внешнего давления;  

– коэффициенты фотоупругости;

– модуль Юнга.

Звуковое давление меняет также длину световода и относительное изменение длины световода определяется соотношением:

     (15.14)

,– объемный и относительный модуль упругости материала световода.

Измерение фазового сдвига излучения в световоде может быть использовано для построения ВОД ускорений – акселерометров. В качестве первичного преобразователя применяют один или два световода соединенных с инерциальной массой.

Акселерометр на базе интерферометра Маха-Цендера показан на рис.15.9.

Рис.15.9. Акселерометр на базе интерферометра Маха-Цендера:

1 – источник излучения; 2 – возбуждающий световод; 3 – сигнальный световод;

4 – рамка для крепления сигнального световода; 5 – инерциальная масса;  

6 – опорный световод; 7 – световод фотоприемника; 8 – микропроцессор; 9 – индикатор.

Относительное изменение длины световода под воздействием внешнего ускорения определяют из соотношения:

        (15.15)

 – инерциальная масса;

– модуль упругости;

– площадь поперечного сечения сигнального световода.

Если пренебречь изменением показателя преломления при продольном воздействии механических усилий, то изменение фазы в результате продольного удлинения определится следующим соотношением:

  (15.16)

– диаметр сердцевины световода.

Фазовые интерферометрические датчики могут применяться для измерения тока или напряжения. При этом используется температурный эффект, при котором под воздействием тока меняется температура сопротивления.

ВОД для измерения тока показан на рисунке 15.10.

Рис. 15.10. Структурная схема ВОД для измерения тока

Влияние температуры на изменение фазы на единицу длинны световода определяется соотношением:

       (15.17)

– волновое число;

– радиус сердцевины световода.

ВОД на базе межмодовой интерференции применяются в расходомерах – приборах для измерения расходов жидкости или газа. Схема такого датчика показана на рисунке 15.11.

Рис. 15.11. ВОД для измерения расходов жидкости или газа:

1 – источник излучения; 2 – труба, по которой протекает жидкость или газ;

3 – многомодовый световод; 4 – фотоприемное уствойство.

Изменение расхода жидкости или газа влияет на скорость распространения их внутри трубы. Изменение скорости приводит к деформации световода, а это в свою очередь влияет на постоянную распространения различных мод в световоде и меняет картину межмодовой интерференции, что регистрируется приемником 4.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

36121. Управління поведінкою споживача 1.03 MB
  Підходи та етапи моделювання поведінки споживачів. Поведінка споживачів у промисловому маркетингу. Поведінка споживачів це дії які здійснює окрема особа купуючи і користуючись продукцією чи послугами це розумові і соціальні процеси що передують цим діям або настають за ними. Поведінка споживачів у промисловому маркетингу це процес прийняття рішення яким користується підприємство чи організація для визначення потреби у продуктах послугах ідентифікації оцінювання й вибору торгових марок і постачальників.
36122. Проектування трубопроводів 892.5 KB
  Особливості різних способів транспортування нафтинафтопродуктів і газу. Особливості трубопровідного транспорту. Особливості залізничного транспорту. Особливості морського транспорту. Особливості річкового транспорту. Особливості автомобільного транспорту. Економіка різних видів транспортування нафти інафтопродуктів. Вибір раціонального способу транспортування нафтовихвантажів. Методика розрахунку характеристик за способамитранспортування. Розрахунок економічних показників трубопровідноготранспорту...
36124. Основи статистики. Конспект лекцій 342.46 KB
  Статистичні спостереження. Статистичні спостереження. Суть та організаційні форми статистичного спостереження. План статистичного спостереження.
36125. Релігієзнавство. Основи філософських знань 181 KB
  Філософія релігії Мені довелося потіснити знання щоб звільнити місце вірі І. Центральний обєкт релігійної віри Бог саме з нього виводиться зміст усієї релігії. Розподіл філософії та релігії на самостійні форми суспільної свідомості відбувається лише в Новий час коли починають розвиватися природничі науки механіка. Філософія прагне заповнити емоційнодушевну пустоту відновити властиву релігії психологічну рівновагу.
36126. Основи національної економіки 2.85 MB
  Основні етапи розвитку національної економіки України. Особливості й ключові завдання сучасного етапу розвитку української національної економіки. Основні показники рівня розвитку національної економіки. ПОНЯТТЯ НАЦІОНАЛЬНОЇ ЕКОНОМІКИ ЯК РЕЗУЛЬТАТУ ЕКОНОМІЧНОЇ ДІЯЛЬНОСТІ Поняття національна економіка досить багатозначне оскільки це перш за все певний підсумок багатовікового розвитку народногосподарського комплексу країни.
36127. Соціальне страхування 462.5 KB
  Сутність принципи й роль соціального страхування План Сутність і необхідність соціального страхування в умовах ринкової економіки. Становлення і розвиток соціального страхування. Сутність і необхідність соціального страхування в умовах ринкової економіки. У багатьох країнах діє система взаємодоповнюючого соціального страхування що містить у собі такі елементи як: Державне соціальне забезпечення; Корпоративні соціальні програми; Індивідуальне часткове страхування.
36128. Системне програмне забезпечення 506.5 KB
  Переміщаючі завантажувачі можуть помістити програму в будьяке вільне місце в памяті. Очевидно що в більшості випадків початкові дані потрапляють в оперативну память із зовнішніх пристроїв. Класифікація ресурсів При розробці перших систем ресурсами вважалися процесорний час память канали вводу виводу і периферійні пристрої. Відповідно доки здійснювався обмін даними між оперативною памяттю і зовнішніми пристроями процесор не міг виконувати обчислення.
36129. КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЙ НАВЧАЛЬНОЇ ДИСЦИПЛІНИ ЕКОЛОГІЧНА СТАНДАРТИЗАЦІЯ І СЕРТИФІКАЦІЯ для студентів 5 курс 130 KB
  Національні стандарти мають позначку абревіатуру ДСТУ державний стандарт України. Міжнародні стандарти що введені в дію в Україні мають позначки ДСТУ ISO і ДСТУ EN. Розроблені державні стандарти України отримали абревіатуру ДСТУ. Зявилися екологічні стандарти з позначками: ДСТУ ISO ДСТУ EN.