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

14 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

30899. Клинико-физиологическая оценка внешнего дыхания. Легочные объемы 36.5 KB
  Легочные объемы Анатомофизиолгические показатели легочные объемы определяются антропометрическими данными индивидуума : 1ростовесовыми показателями 2 строением грудной клетки 3 дыхательных путей 4 строением и свойствами легочной ткани эластическая тяга легких поверхностное натяжение альвеол 5 силой дыхательных мышц Легочные объёмы и ёмкости ОЕЛ ЖЕЛ РОвд ЕВвд ДО РОвыд ФОЕ ОО Коллапсный О Минимальный О Легочные объемы: Общая емкость легких ОЕЛ количество воздуха находящееся в легких после максимального вдоха. ОЕЛ состоит...
30900. Клинико-физиологическая оценка внешнего дыхания. Функциональные показатели 27.5 KB
  Минутный объем дыхания МОД объем воздуха который проходит через легкие за 1 минуту. Этот показатель можно определить двумя методами: с помощью спирографии ДО умножается на частоту дыхания и путем сбора воздуха в мешок Дугласа. МВЛ это максимальное количество воздуха которое может вдохнуть и выдохнуть пациент за 1 минуту ЧД более 50 уд мин; N=1418. Форсированная жизненная емкость легких ФЖЕЛ количество воздуха которое пациент может выдохнуть за счет экспираторного маневра максимально быстро и полно .
30901. Газообмен в легких и тканях 34 KB
  Газовый состав вдыхаемого альвеолярного и выдыхаемого воздуха Дыхательные газы Вдыхаемый воздух Альвеолярный воздух Выдыхаемый воздух О2 мм рт. в процессе жизнедеятельности идет постоянный процесс потребления О2 и выделения СО2 это поддерживает концентрацию дыхательных газов в нем на постоянном уровне. Обмен газов между альвеолярным воздухом и кровью. Транспорт газов кровью.
30902. Транспорт газов кровью 280.5 KB
  В жидкой части крови растворены газы воздуха: кислород углекислый газ азот. При содержании гемоглобина 150 г л норма каждые 100 мл крови переносят 208 мл О2. Это кислородная емкость крови. Другой показательсодержание кислорода в крови взятой в различных участках сосудистого русла: артериальной 20 мл О2 100 мл крови и венозной 14 млО2 100 мл крови .
30903. Регуляция дыхания 30.5 KB
  Регуляция дыхания Главная задача регуляции дыхания чтобы потребление кислорода поставка его тканям за счет внешнего дыхания были адекватны функциональным потребностям организма. Самый эффективный способ регуляции дыхания в целом это регуляция внешнего дыхания. Интенсивность внешнего дыхания зависит от варьирования его частоты и глубины. В регуляции дыхания можно выделить 3 группы механизмов: 1.
30904. Механизмы перестройки внешнего дыхания 32 KB
  Накопление СО2 в крови гиперкапния стимулирует дыхание человек будет дышать глубже и чаще. СО2 вымывается из крови гипокапния . ещё до повышения уровня СО2 в крови. Регуляция тонуса сосудов легких 1 Ведущая роль принадлежит газовому составу крови: понижение содержания в крови СО2 приводит к повышению тонуса легочных сосудов при этом уменьшается количество крови которое успевает обогатиться в легких О2 за единицу времени; увеличение СО2 наоборот уменьшает тонус легочных сосудов а значит повышается кровоток и газообмен.
30905. Пищеварение и его значение 36.5 KB
  Методы исследования пищеварительного тракта : XVIII век начало формирования научных методов исследования пищеварительного тракта и его функций. Все методы подразделяются на: 1. Острые методы : Характерная особенность острых экспериментов результат быстро как правило однократно условия далеки от физиологических . а вивисекционный метод прижизненное вскрытие ; б метод изоляции органов или участков органов перфузия питатательными растворами чувствительность к БАВ; в методы канюлирования выводных...
30906. Виды моторики пищеварительного тракта 49 KB
  Физиологические свойства и особенности гладкой мускулатуры пищеварительной трубки Гладкая мускулатура пищеварительной трубки состоит из гладкомышечных клеток ГМК. Межклеточные контакты ГМК пищеварительной трубки обеспечивает наличие нексусов. ГМК пищеварительной трубки обладают рядом физиологических свойств: возбудимостью проводимостью и сократимостью. Особенности возбудимости ГМК пищеварительной трубки: Возбудимость ГМК пищеварительной трубки ниже чем у миоцитов поперечнополосатой мускулатуры ППМ.
30907. Пищеварение в полости рта 27.5 KB
  Пищеварение в полости рта Секреция в ротовой полости В ротовой полости слюну вырабатывают 3 пары крупных и множество мелких слюнных желез. 1 Время нахождения пищи в ротовой полости в среднем 1618 секунд. Е нормальная микрофлора ротовой полости которая угнетает патологическую. В пределах ротовой полости ферменты слюны практически не оказывают влияния изза незначительного времени нахождения пищевого комка в ротовой полости.