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

47846. ЗАКОН ХАРДИ-ВАЙНБЕРГА 622 KB
  ЧАСТОТА ГЕНА А и а рассматриваемые аллели N количество диплоидных особей 2N количество генов D количество особей с доминантными аллелями АА Н количество гетерозиготных особей Аа R количество рецессивных особей аа D H R = N D H R структура популяции D H R доля или частота гена доля или частота гена а СЛУЧАЙНОЕ СКРЕЩИВАНИЕ структура популяции частота скрещиваний УСТАНОВЛЕНИЕ РАВНОВЕСИЯ формула теоретической популяции ; экспериментальная популяция
47847. Аспекты информатизации в цивилизации 817.5 KB
  Дробные числа переводятся аналогично но деление на группы проводится двигаясь вправо от десятичной точки и записывая недостающие нули являющиеся значащими. На каждом шаге деления получают цифры числа в системе S начиная с младшей. Отдельно для целой и дробной части числа в произвольной системе счисления.
47848. ПРИКЛАДНІ АСПЕКТИ ЗДІЙСНЕННЯ ІНВЕСТУВАННЯ В ЛЮДСЬКИЙ ПОТЕНЦІАЛ ТОВ «КРИЖАНА ФУДС» 413.77 KB
  Метою випускної кваліфікаційної роботи є розкриття теоретичних та практичних аспектів формування та функціонування ефективного інвестиційного поля для матеріальних та психологічних вкладень в людський капітал, а також визначення напрямів покращення його функціонування у ТОВ »Крижана Фудс».
47849. Модусы иронии в творчестве Евгения Замятина и пародия как средство выражения авторской позиции 159.5 KB
  Дать определение понятий «ирония» и «пародия» с точки зрения Ю.Н. Тынянова; привести классификацию иронико-комических модусов, выделенных в творчестве Е.И. Замятина; интерпретировать авторскую позицию через анализ приёмов иронически-пародийного модуса в книге «Нечестивые рассказы»; рассмотреть особенности комически-пародийного модуса в цикле «Чудеса».
47850. Элементарная логика 244.5 KB
  Логические операции можно объединить с помощью одного понятия умозаключения или рассуждения. Форма понятия: Т. Форма понятия: круг символизирует любую совокупность предмета а каждая точка внутри символизирует отдельно взятые предметы. 1 суждение 2 понятия.
47851. Высшая математика 4.3 MB
  Султанаев Высшая математика Курс лекций для студентов всех специальностей очной и заочной форм обучения...
47852. Менеджмент. Общее управление и менеджмент 207 KB
  Общее управление это управленческая деятельность и процессы связанные с разработкой концепции и стратегии развития организации постановкой ее цели планированием организационной деятельностью координированием контролем а при необходимости и корректировкой ранее принятых решений. Необходимо обеспечить наиболее правильное соотношение между цетролизацией и декзентролизацией в зависимости от конкретных условий; вознаграждение персонала; порядок;и инициатива персонала; корпоративный дух преданность организации; единство...
47853. Лекции по правоведению. Власть, политика и право 214 KB
  Предписание права суть таковым: честно жить другим не вредить каждому своё отдавать. Пентаграмма Схема истинного познания Вещь предмет Образ идея Идеат научный предмет Идеал осознанный предмет Дух энергия синергия познание ведение Цель польза utilit Средства instrumenti процесс Способ механизм процедура стандарт Метод техника opertio Принцип основные положения Слово термин характер характеристика Понятие свойства Категория признак Феноме явление ноомен бытие Концепт этимон Форма структура конструкция...
47854. Лекции по правоведению 609.5 KB
  Во-первых духовнонравственные подходы к праву рассуждения о нравственности права и государства не особенно приветствуется современной наукой права но вместе с тем круг людей способных судить о праве чрезвычайно широк: экономисты политики руководители различных ступеней и уровней все так или иначе сталкиваются с правом но что ещё более примечательно с правовой парадигмой мышления хотя подчас этого и не осознают.7 Конституции РФ: Человек его права и свободы являются высшей ценностью. Мы раскроем природу начал этих парадигм для...