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

11 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

81761. Мотив дуэли в произведениях отечественной классики 19 века 32.05 KB
  Пушкин Евгений Онегин В деревне куда едет О. Пушкин дал О. которого Пушкин таким родством снижает. Пушкин не раз подчеркивает этот мотив в истории дуэли.
81762. Вечные вопросы и их осмысление в лирике А.С.Пушкина (на примере 3 – 4 стихотворений). Разбор одного стихотворения 45.14 KB
  В петербургский период лирика Пушкина особенно вбирает в себя свободолюбивые политические идеи и настроения. Первым значительным произведением после выхода из лицея была написанная Пушкиным в самом конце 1817 г. Лирике лицейских лет Пушкин лротивопоставляет поэзию вольности и обличения порока у свободы он ищет вдохновения. Недаром Пушкин в одном из вариантов своего Памятника в конце жизни прямо указывает что вслед Радищеву восславил он свободу.
81763. Тема отцов и детей в произведениях отечественной классики 19 века 32.44 KB
  Отцов или детей обличает Т. дети не должны убивать отцов а отцы заставлять детей думать так же как они думают. потому что смешно и бессмысленно полагать что можно силой заставить молодое поколение думать так же как и поколение отцов.
81764. М.Е. Салтыков-Щедрин «Господа Головлевы» (1880) 31.48 KB
  Нет любви в доме госпожи Головлевой. В ее доме все подчинено процессу припасания. Все в доме Головлевых дышит ненавистью. Из бесконтрольной обладательницы головлевских имений Арина Петровна сделалась скромной приживалкой в доме младшего сына.
81765. Своеобразие композиции романа А.С.Пушкина «Евгений Онегин» 33.37 KB
  Чтение наизусть отрывка из романа Евгений Онегин . В годы создания романа Пушкину пришлось пережить ссылку потерять многих друзей испытать горечь от гибели лучших людей России того времени. Ее духовный и нравственный облик представлен в героях романа Евгении Онегине и Ленском.
81766. Социальная и философская проблематика пьесы М. Горького «На дне» 32.62 KB
  изображением дна являющегося изнанкой современного буржуазного строя Горький утверждал мысль о необходимости решительного обновления этого строя во имя освобождения человека. Горький поновому показал босяка дав строго реалистический анализ бродяжного люда ни разу не отрываясь от трезвого взгляда на босячество как на явление в основе своей антисоциальное. Горький усилил и художественно обобщил одну черту босяка его презрение к мещанским предрассудкам к мещанской морали к мещанскому фетишизму вещей и понятий. Горький использовал эту...
81767. Роль пейзажа в произведениях отечественной литературы 31.46 KB
  В рассказе Хорь и Калиныч Калиныча более трогали природа горы водопад. чутко воспринял тему человек и природа В рассказе того же цикла Бежин луг описание природы начинает повествование. Это рассказ о том что природа сильнее человека и поэтому надо с уважением к ней относиться. Главный герой романа Евгений Базаров так выражает свои отношения с природой: Природа пустяки Природа не храм а мастерская и человек в ней – работник Но далее читаем: Солнце жгло изза тонкой завесы сплошных беловатых облаков.
81768. Татьяны «милый идеал» в романе А.С.Пушкина «Евгений Онегин». Роль сна Татьяны в развитии сюжета 37.82 KB
  Точными деталями Пушкин напоминает о характере жизни крепостной деревни крестьянства. На этом широком фоне воссоздана в Евгении Онегине драматическая судьба лучших людей пушкинского времени передовой дворянской интеллигенции эпохи декабристов. Образ Евгения Онегина обобщает собой все что Пушкин стремился воплотить в образах кавказского пленника и Алеко. Пушкинский герой порождение этого общества но вместе с тем он и чужд ему.
81769. Герои и проблематика одного из произведений А. Платонова 47.7 KB
  Платонова. Платонов Наше узнавание Платонова было длительным: с 20х годов до сегодняшнего дня. Почему многие произведения Андрея Платонова совсем не были опубликованы при его жизни а те что были напечатаны вызывали резко критическое отношение Почему Сталин прочитав бедняцкую хронику Впрок не пожалел самых ругательных выражений а Горький высоко оценив Чевенгур считал что роман этот опубликован не будет Попробуем ответить на эти вопросы. Все это в той или иной степени отразилось в творчестве Платонова от первого сборника стихов ...