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

13 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

1058. Политология Белоруссии 459 KB
  Политическая мысль в эпоху Возрождения. Общественно-политическая мысль Беларуси периода ВКЛ, РП, РИ. Политические идеи мыслителей Беларуси, ее периодизация и первые памятники. Власть как социальное явление, ее функции, структура. Государство в политической системе общества. Роль СМИ в политике. Либерализм и неолиберализ. Формы государственного устройства.
1059. Методика аудиторской проверки расчетов с бюджетом (на примере НОУ СПО Учебный центр, Омск 443 KB
  Процесс планирования аудиторской проверки учета расчетов с бюджетом по налогам и сборам. Экономическая характеристика объекта исследования. Организация бухгалтерского и налогового учета расчетов с бюджетом. Аудиторская проверка учета расчетов с бюджетом по единому социальному налогу в НОУ СПО Учебный центр.
1060. Обработка статистической информации о надежности линии привода 3-го формирующего ролика 1-й моталки 265 KB
  Упорядочение исходной выборки наработок до отказа. Проверка статистической гипотезы о соответствии экспоненциальному распределению. Проверка статистической гипотезы о соответствии нормальному или логарифмически нормальному распределению. Графическое оценивание параметров распределений.
1061. Расчет и выбор конструкции кожухотрубного теплообменного аппарата 267 KB
  Тепловой расчет и выбор конструкции теплообменного аппарата. Устройство, передающее теплоту от одного теплоносителя к другому. Проверочный тепловой расчет теплообменного аппарата. Гидравлический расчет теплообменного аппарата. Расчет падения давления теплоносителей в трубном и межтрубном пространстве ТА.
1062. Учет финансовой отчетности в процессе управления предприятием ООО Стиль 411 KB
  Финансовая отчетность и ее роль в информационном обеспечении управления предприятием. Методы анализа устойчивости финансового состояния в процессе управления предприятием. Составление и анализ финансовой отчетности в процессе управления предприятием (на материалах ООО Стиль). Анализ устойчивости финансового состояния по данным финансовой отчетности.
1063. Створення таблиць і форм мовою html 528 KB
  Створення форм і таблиць, вивчення синтаксису і тегів цих елементів, набуття навиків у використанні цих елементів при розробці власних сторінок.
1064. Теоретичні засади державного пенсійного страхування та перспективи його розвитку 569 KB
  Теоретичні засади дослідження системи пенсійного страхування в Україні. Особливості розвитку системи державного пенсійного страхування в країнах світу. Принципи загальнодержавного пенсійного страхування в Україні. Правова основа державного пенсійного страхування в Україні. Тенденції розвитку державного пенсійного страхування в Україні.
1065. Проектування індивідуального житлового будинку в м. Донецьк 441.5 KB
  Проектований двоповерховий житловий будинок має в плані не правильну конфігурацію. Будинок по конструктивній схемі відноситься до будинків з поперечним і повздовжнім розміщенням несучих стін і спиранням плит перекриття по двом сторонам. Зовнішні стіни в будинку виконані з легкої кладки товщиною 510 мм.
1066. Фотодатчики, их классификации, режимы работы и применение в биоинженерной технике 587 KB
  Основные понятия фотоэлектрических приборов. Основные характеристики фотоэлектрических преобразователей. Режимы работы датчиков. Области применения медико-биологической практике. Дополнительные возможности датчиков.