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

40529. Язык как особая знаковая система. Язык и мышление 33 KB
  Язык как особая знаковая система. Язык и мышление. Язык как особая знаковая система. Язык знаковая система естественно возникшая закономерно развивающаяся социально предназначенная.
40530. Омонимия, ее виды, источники и роль в языке. Разграничение омонимии и полисемии 21 KB
  Омонимия разные слова с одинаковым звуковым составом. Типы омонимов: лексические омонимы слова относящиеся к одному грамматическому разряду имеют одинаковое звучание и написание: лук. омоформы слова у которых совпадают определенные грамматические формы. омофоны слова которые одинаково звучат но пишутся поразному.
40531. Графика 15.24 KB
  Состоят из: Правила чтения напр. u может быть ju ʌ или u Правила написания напр. Правила орфографии правила написания значащих языковых единиц морфем и слов Правила орфоэпии правила озвучивания при чтении значащих языковых единиц морфем и слов Правила орфографии строятся на базе правил графики и нужны ТОЛЬКО если по правилам графики есть вариант напр.
40532. Части речи как основные грамматические категории. Принципы выделения частей речи 31.5 KB
  Части речи как основные грамматические категории. Принципы выделения частей речи. Части речи: можно назвать грамматическими категориями но они более широкие общие лексикограмматические классы слов.: части речи части слова.
40533. Слово как единица и предмет лексикологии. Признаки слова. Аспекты его изучения. Структура лексикологии как науки 23.5 KB
  Признаки слова. Признаки слова: фонетическая оформленность фонетически непроницаемо для других слов. Обычно у слова есть номинативная функция. Слово не равно: Словоформе грамматическая разновидность слова.
40534. Способы выражения синтаксических отношений в языках мира. Языки номинативного и эргативного строя. Виды синтаксических связей 21 KB
  Языки номинативного и эргативного строя. Грамматические способы: аффиксация особенно флексия способ служебных слов способ порядка слов способ интонации способ ударения Языки номинативного и эргативного строя. По характеру выражения субъектнообъектных отношений все языки мира делятся на языки: номинативного строя Субъект действия выражен номинативом. эргативного строя Оформление субъекта зависит от свойств глагола если глагол: переходный то существительное стоит в эргативном падеже обозначает реально действующее лицо.
40535. Предмет языкознания. Языкознание общее и частное. Прикладное языкознание. Связь языкознания с другими науками 79.99 KB
  Собака Определенная порода собаки Сужается значение слова 4. К диалектной лексике относятся слова распространение которых ограничено той или иной территорией. пойти за грибам с рукам с ногам специфическими словами орать в смысле 'пахать' и т. Суть: безъязычный человек слыша звуки природы старался подражать им своим речевым аппаратом = звукоподражательные слова кукушка от куку гавкать от гавгав etc.
40536. Основные теории происхождения человеческой речи. Исторические процессы в жизни языков 27.5 KB
  Исторические процессы в жизни языков. Следует различать вопрос о происхождении языка и вопрос об образовании реально существующих существовавших языков. Исторические процессы в жизни языков. 2 противоположных процесса: интеграция дифференциация Дифференциация территориальное деление языков возникновение диалектов или родственных языков.
40537. Предложение как единица синтаксиса. Предикативность. Классификация предложений 24 KB
  Предложение как единица синтаксиса. Предложение основная коммуникативная единица языка и речи. Предложение рассматривается с двух аспектов: конструктивной точки зрения традиционный структурный синтаксис коммуникативной точки зрения коммуникативный синтаксис. Главное отличие предложение от словосочетания для предложения характерна интонация сообщения или законченности и выражение мысли.