21469

Лазерный доплеровский анемометр

Лекция

Физика

Движущиеся вместе с газовым потоком частицы рассматриваются как приемники световых волн от неподвижного источника и одновременно как передатчикиретрансляторы оптического излучения к неподвижному наблюдателю. Частота рассеянного излучения в точке наблюдения равна: 1 где ν – частота излучения источника; с – скорость света; u – проекция скорости частицы в направлении на точку наблюдения. Итак Доплеровская частота сигнала на выходе фотоприемника зависит от длины волны лазерного излучения скорости частиц и геометрии оптической системы....

Русский

2013-08-02

610.5 KB

56 чел.

PAGE  16

Лекция № 6 Лазерный доплеровский анемометр.

Цель лекции - ознакомление студентов с основными принципами и конструктивными особенностями лазерной доплеровской анемометрии.

Лазерная доплеровская анемометрия (от греческого "anemos" – ветер, движение) - метод бесконтактного измерения скорости движения газообразных, жидких и твёрдых сред, содержащих светорассеивающие неоднородности. Этот метод в настоящее время широко используется в научных исследованиях и технических приложениях. Лазерные доплеровские анемометры (ЛДА) позволяют решать большой круг задач: от исследования медленных направленных движенний в капиллярах и живых клетках до дистанционных измерений турбулентной скорости потоков газа в сверхзнуковых трубах и скорости ветра в атмосфере. Величины измеряемых скоростей лежат в диапазоне от нескольких мкм/с до нескольких км/с.

Движущиеся вместе с газовым потоком частицы рассматриваются как приемники световых волн от неподвижного источника и одновременно как передатчики-ретрансляторы оптического излучения к неподвижному наблюдателю. Частота рассеянного излучения в точке наблюдения равна:

(1)

где ν – частота излучения источника;

с – скорость света;

u – проекция скорости частицы в направлении на точку наблюдения.

Следовательно, Доплеровская частота равна:

(2)

учитывая, что |u| << c.

 

В реальном эксперименте наблюдается рассеянное оптическое излучение частота, которого сдвинута на величину, прямо пропорциональную скорости рассеивающей частицы.

Таким образом, первая практическая задача, от  решения которой зависит эффективность применения лазерного доплеровского метода измерения скорости, заключается в том, чтобы измерять не абсолютное значение оптической частоты, а радиочастоту равную разности двух оптических частот – опорной и рассеянной

Поэтому на практике применяется наложение двух рассеянных световых волн, в результате чего на фотоприемнике регистрируется сигнал с частотой, равной разности частот двух рассеянных волн:

 

(3)

при |u|<<c.

 

Итак, Доплеровская частота сигнала на выходе фотоприемника зависит от длины волны лазерного излучения, скорости частиц и геометрии оптической системы. Эта формула представляет собой основное уравнение лазерной доплеровской анемометрии и в принципе является очень точной (ее погрешность составляет менее 10-5 %), так как ее параметры не зависят от свойств среды (температуры, давления и т.п.) и не требуют градуировки с помощью эталона –достаточно их точно рассчитать. Поэтому суммарная погрешность определения скорости газового потока определяется погрешностью измерения допплеровской частоты.

Вторая практическая задача, заключается в выборе рассеивающих частиц и, соответственно, в выборе направления регистрации рассеянного излучения. Существует строгая теория рассеяния электромагнитных волн на сферических объектах. Наибольший интерес для доплеровских измерений представляют предельные случаи, а именно, когда длина волны много меньше размера рассеивающей частицы и когда  соизмерима с размером частицы. С уменьшением размера частиц резко уменьшается интенсивность рассеянного света; поэтому для оценки их пригодности в лазерной допплеровской анемометрии необходимо точно знать оптические свойства дискретных рассеивателей, которые характеризуют амплитудными функциями рассеяния. Амплитудные функции рассеяния зависят от оптических и геометрических свойств частиц, угла рассеяния и угла азимута и находятся из решения уравнений Максвелла с заданными граничными условиями. Знание амплитудных функций рассеяния позволяет полностью определить параметры рассеянного излучения (поляризацию, амплитуду и фазу рассеянной волны).

Для лазерной анемометрии наибольший интерес представляют частицы с размером, сравнимым с длиной волны лазерного излучения. К сожалению явный вид амплитудных функций рассеяния известен только для  ограниченного числа случаев рассеяния:  для сферических частиц с диаметром а < 0.03λ (случай Рэллеевского рассеяния) и для а > 0.03λ  (область рассеяния Лоренца-Ми). Оказалось, что амплитудные функции рассеяния зависят только от трех параметров: относительного комплексного показателя преломления частиц, относительного размера частиц ρ=2πa/λ и угла пересечения 2θ.

Другая часть задачи по выбору светорассеивающих частиц заключается в выборе материала. Поскольку для металлических рассеивающих частиц  направление распространения рассеянного поля обратное направлению падающей волны, а для диэлектрических частиц направление распространения рассеянного поля совпадает с направлением падающего поля. Таким образом, в зависимости от используемых частиц, конструкция анемометра должна обеспечивать работу, либо на обратном либо на прямом рассеянном поле. Либо обеспечивать работу на обоих направлениях.

В лекции, на примере дифференциаьной схемы ЛДА, получившей в настоящее время наибольшее распространение, разбираются основные принципы лазерной доплеровской анемометрии. Подробно теория доплеровского метода измерения скорости, а также анализ других оптических схем и систем обработки сигнала ЛДА изложены в книгах [1-2].

7.2 Принцип работы ЛДА

Принцип работы ЛДА основан на эффекте Доплера, суть которого заключается в зависимости частоты излучения света, отражённого или рассеянного движущимся объектом, от скорости его движения.

Если на объект, движущийся со скоростью U, направить монохроматическое излучение с частотой  (рис. 1а), то отражённое (рассеянное) излучение, вследствие эффекта Доплера, будет иметь частоту , которая отличается от частоты падающего излучения.

Рисунок - 1. Взаимное расположение векторов рассеяния в схеме с одним (а) и двумя (б) зондирующими пучками.

Доплеровский сдвиг частоты (д.с.ч.) определяется выражением [1, 2]:

,

(3)

где  - разностный волновой вектор,

волновой вектор падающего излучения,

 - волновой вектор рассеянного излучения.

С учётом введённых на рис.1 обозначений

,

(4)

где - показатель преломления среды,

 - длина волны падающего излучения в вакууме.

Характерной особенностью выражения (3) является линейная зависимость д.с.ч. от величины скорости, причём коэффициент пропорциональности зависит от геометрии схемы (углов  и ) и оптических свойств среды.

Рассмотрим теперь схемy с двумя зондирующими пучками, имеющими волновые векторы  и  и близкие частоты  и  (рис. 1б). Разность д.с.ч. волн рассеянных в одном направлении двумя пучками определяется соотношением [1,2]:

,

(5)

где - разностная частота, которая по причине, поясняемой

ниже, часто называется частотой модуляции,

 - вектор чувствительности, модуль которого равен

.

(5.1)

Здесь ,

n – показатель преломления среды,

- угол между пучками.

Отметим, что разность частот (5) не зависит от направления наблюдения. Такие схемы называются  дифференциальными.

При  и с учетом (5), (5.1), а также обозначений, введённых на рис. 1б, имеем:

.

(6)

Формулы (4)-(6) позволяют рассчитывать д.с.ч. при известной скорости объекта и заданном направлении падающих и рассеянных пучков. Из них же можно найти и величину проекции вектора скорости  на выбранное направление, определяемое векторами и  при известной величине .

Принцип работы дифференциальной схемы ЛДА можно объяснить и не используя явным образом эффект Доплера. Суть этого объяснения заключается в следующем: движущаяся частица рассеивает излучение в интерференционном поле, которое образуется в области пересечения двух когерентных пучков.

Для того чтобы показать эквивалентность обоих подходов рассмотрим картину интерференции. Для простоты будем считать, что пересекаются две плоские монохроматические волны (рис. 2), электрические векторы которых запишем в следующем виде:

    

    

где , и - векторы амплитуды падающих волн.

Усреднённая за промежуток времени τ   интенсивность света будет равна

 

Таким образом, в области пересечения двух когерентных монохроматических пучков с разными частотами образуется периодически меняющееся во времени распределение интенсивности, эквивалентное бегущей световой решётке. Направление движения решётки и ее период определяются вектором чувствительности , а скорость движения светлых и тёмных полос определяется разностью частот интерферирующих волн.

Рисунок 2 - Интерференционная модель ЛДА (И – индикатриса рассеяния, О – приемный объектив).

Если , то есть частоты интерферирующих волн совпадают, то имеет место стационарная интерференционная картина. Видность этой интерференционной картины V равна:

.

(7)

При равенстве интенсивностей интерферирующих волн видность максимальна и равна 1.

Период изменения интерференционных максимумов и минимумов интенсивности в плоскости, перпендикулярной биссектрисе угла  равен:

.

(8)

Чем меньше угол между падающими пучками, тем больше период интерференционной картины. Так, при  и  мкм период = 0,63 мкм, а при  = 109 мкм.

Пусть в области пересечения пучков движется малая в простейшем случае сферическая (радиуса r< ) частица со скоростью, характеризующейся вектором . Мощность рассеянного этой частицей излучения зависит от её местоположения, размера и оптических характеристик. Если частица находится в центре светлой интерференционной полосы, она рассеивает максимальную мощность, а если в центре тёмной полосы - минимальную. Особенности работы ЛДА с большими частицами (r ) рассмотрены в работе [2].

Мощность, рассеянную частицами, движущимися со скоростью U через измерительный объем, можно записать в следующем виде:

.

(9)

где , A(t) – медленно меняющаяся (по сравнению с 1/ω1,2) случайная компонента.

Коэффициент  обычно принимает значения от 1 до 10 -2 в зависимости от условий согласования амплитуд, фаз и состояния поляризации рассеянных волн в пределах приёмной апертуры, а также от величины отношения .

Из уравнения (6) видно, что усредненная по времени  рассеянная мощность меняется с частотой  равной:

,

(9.1)

и совпадающей с д.с.ч. в выражении (5). В случае  (частоты зондирующих пучков равны) регистрация д.с.ч, не даёт информации о знаке скорости (9.1).

Рассмотрим случай бегущей интерференционной картины . Если частица движется в ту же сторону, что и интерференционные полосы, то ; если частица движется навстречу полосам, то . Таким образом, ЛДА чувствителен не только к величине проекции скорости частицы на вектор чувствительности, но и к знаку проекции скорости.

7.3 Блок-схема ЛДА. Характеристика основных элементов

Рассмотрим в общем виде основные, функциональные блоки ЛДА, которые позволяют представить в целом работу измерителя скорости, его возможности и требования, предъявляемые к различным его элементам.

Рисунок 3 - Блок-схема дифференциального ЛДА с частотной модуляцией пучка. 1 – лазер, 2 – блок формирования зондирующих пучков, 3 – однополосный модулятор, 4 – линия задержки, 5 – блок передающей оптики, 6 – исследуемый объект, 7 – блок приемной оптики, 8 – блок выделения д.с.ч., 9 – устройство обработки сигнала.

Блок-схема ЛДА, построенного по дифференциальной схеме, изображена на рис. 3. Источннком когерентного излучения является лазер, как правило непрерывного действия, хотя в некоторых случаях возможно применение и импульсных лазеров. Излучение лазера в блоке (2) делится на два пучка, один из которых в знакочувствительных ЛДА пропускается через однополосный модулятор (3), сдвигающий частоту излучения на величину (которая потому и называется частотой модуляции). Для сдвига частоты часто используется акустооптический эффект. Один из пучков в некоторых измерителях проходит через линию задержки (4) для выравнивання длины оптического пути. Блок передаюшей оптики (5) направляет зондирующие пучки на исследуемый объект (6), содержащий движущиеся светорассеивающие частицы. Для транспортировки излучения к измерительному объекту часто используют оптические волноводы. Для увеличения светосилы метода рассеянный свет собирается приёмной оптикой (7) и направляется на блок выделения д.с.ч. (8). Выделенный сигнал, содержащий информацию о скорости движения частиц в области пересечения зондирующих пучков, обрабатывается в блоке 9.

Дадим краткую характеристику основных элементов ЛДА и рассмотрим требования, предъявляемые к ним.

1) Лазер. Основными параметрами, характеризующими лазер, как источник излучения в ЛДА, являются длина волны излучения , спектp излучения, тип колебаний и мощность. Выбор конкретного типа лазера обуславливается задачей, для которой предназначен ЛДА. Например, СО2 лазеры обладают большой мощностью (до нескольких десятков Вт в режиме непрерывноro излучения), длина волны излучения которых =10,6 мкм лежит в инфракрасной области спектра. Такое излучение сильно поглощается жидкостями, что исключает возможность их применения для исследования гидродинамических потоков. С другой стороны, большая мощность CO2 лазеров позволяет создавать ЛДА, которые предназначены для исследования воздушных потоков, содержащих аэрозоли, на расстояниях до нескольких километров.

Длина волны  определяет минимальный размер области пересечения зондирующих пучков, то есть величину измерительного объёма. Даже если пучки фокусируются и пересекаются в перетяжках, то поперечный размер перетяжки ограничен дифракционным пределом, который тем меньше, чем меньше . Большая локальность измерений особенно важна при решении таких задач, как исследования микроструктуры турбулентных потоков, измерение скорости течения в микрокапиллярах и т.п. Важным параметром лазерного излучения является его спектр, т.е. временная когерентность. Для получения хороших характеристик ЛДА, как по пространственному разрешению, так и по отношению сигнал/шум, излучение лазера должно иметь самый низкий поперечный тип колебаний ТЕМ00. При измерении малых скоростей лазеры могут работать на нескольких npoдольных типах колебаний, когда д.с.ч. меньше частотного игнтервала между этими типами колебаний. При измерении больших скоростей, как правило, нужны одночастотные лазеры.

Мощность лазеров определяет чувствительность установки. В случае большой концентрации рассеиваюших частиц, что характерно, например, для двухфазных потоков и твердых тел с шероховатыми nоверхностями, возможно применение лазеров небольшой мощности (около единиц мВт). Как правило, в этом случае используются получившие широкое распространение He-Ne или полупроводниковые лазеры. Если ЛДА применяется для исследования структуры потоков газа с малой концентрацией светорассеивающих частиц, то здесь необходимо использовать лазер большой мощности, например, аргоновый или СО2. В последнее время стали активно применяться твердотельные чип лазеры с полупроводниковой накачкой. Спектральные свойства излучения качество пучка и мощность излучения позволяют применять их в различных условиях.

2) Блок формирования зондирующих пучков может быть устроен по-разному. Исходный пучок можно разделить на два по амплитуде или по фронту. В первом случае, как правило, нспользуется делительный кубик, пластинка или полупрозрачное зеркало. Во втором случае используются призмы или маски той или иной формы.

3) В качестве однополосного модулятора, осуществляющего сдвиг частоты излучения в одном из двух зондирующих пучков (в знакочувствительных ЛДА), чаще всего используется акусто- или электрооптические преобразователи и вращающиеся дифракционные решётки.

4) Линия задержки предназначена для выравнивания длин оптических путей зондирующих пучков. Допустимая разность хода определяется длиной когерентности 1k используемого лазера. Для эффективного выделения д.с.ч. необходимо, чтобы разность хода была меньше lk. Так как , где Z - длина резонатора, а N - число одновременно генерируемых продольных мод, то в большинстве cистем ЛДА это выравнивание не представляет серьёзных проблем. Зачастyю линии задержки вообще отсутствуют.

5) Блок передающей оптики осуществляет сведение зондирующих пучков в область, где производятся измерения. В тех случаях, когда важна локальность измерения, пучки специально фокусируются. В простейшем случае этот блок представляет собой фокусирующую линзу или объектив. В некоторых случаях линза или объектпв ставится в каждый пучок, а сведение пучкoв в область измерения осуществляется поворотными зеркалами.

7) Блок приёмной оптики, как правило, представляет собой линзу или объектив, иногда с переменной апертурой. В случаях, когда д.с.ч. выделяется из света, расееянного назад (например, при измерении скорости движения оптически непрозрачного твёрдого тела), функции приёмной оптики может выполнять передающая линза. Задача блока приемной оптики состоит в том, чтобы собрать на фотоприемник рассеянное излучение из измерительного объема в возможно большем телесном угле.

8) Функции блока выделения д.с.ч. выполняют фотоприёмники (ФП): фотодиоды (ФД) или фотоумножители (ФЭУ), обладающие большой чувствительностью и хорошим быстродействием. При выборе конкретного типа ФЭУ или ФД принимают во внимание все его характеристики: коэффициент усиления, спектральную и частотную характеристики, темновой ток, пороговую чувствительность. Особенно тщательный выбор ФП делается при измерениях скорости движения слабо рассеивающих сред, когда регистрация рассеянного излучения ведётся в режиме счета фотонов. В дифференциальнык схемах ЛДА ФП осуществляет выделение д.с.ч. путём прямого фотодетектирования колебаний интенсивности рассеянного света,преобразуя их в колебания силы фототока. Частотно модулированный выходной ток ФП и является выходным сигналом ЛДА.

9) Устройство обработки сигнала преобразует информацию, содержашуюся в фототоке, в удобную для пользователя форму. При этом используются либо аналоговые, либо цифровые методы, либо их комбинация. Более подробно охарактеризуем эти методы после того, как рассмотрим свойства сигнала ЛДА.

7.4 Свойства сигнала ЛДА

Если часть света, рассеянногo некоторой частицей при пересечении ею интерференционного поля, попадает в блок приёмной оптики и далее на фотоприёмник, то на выходе фотоприёмника появляется импульс фототока, промодулированный частотой ωд (см. рис. 4).

Длительность импульса Т определяется временем нахождения частицы в измерительном объеме - области пересечения зондирующих пучков: Т=L/U , где L-размер этой области в направлении движения частицы (см. рис.2), U -скорость частицы. Глубина модуляции определяется видностью интерференционной картины (4). Очевидно, что энергетический спектр этот импульса (рис. 5) содержит низкочастатную составляющую, а также собственно доплеровскую составляющую, сдвинутую относительно нулевой частоты на  или  (в зависимости от направления скорости U частицы). Низкочастотная составляющая спектра обусловлена как постоянной составляющей сигнала с фотоприемника, так и фликкер-шумом источника излучения и фотоприемника. Ширина доплеровской составляющей спектра , а следовательно, и неопределённость в нахожденин частоты и проекции скорости тем больше, чем меньше измерительный объём, т.е. чем выше локальность измерения. Если интерференционное поле пересекает поток случайно расположенных частиц, как например, в случае рассеяния на вращающемся матовом диске, то сигнал на выходе фотоприёмника представляет собой суперпозицию радиоимпульсов, имеющих разную амплитуду, длительность и начальную фазу. Если учесть, что рассеивающие свойства частиц также могут силъно отличаться, то нетрудно представить себе, как выглядит реальный сигнал (см. рис. 6) и его выборочный спектр (см. рис. 7).

Рисунок 4 - Импульс фототока от одной частицы  

Рисунок 5 - Энергетический спектр импульса фототока от одной частицы

Рисунок 6 - Пример реализации реального сигнала ЛДА

  

Рисунок 7 - Выборочный спектр реального сигнала.

Для того чтобы из такого квазистохастического сигнала извлечь информацию о скорости движения исследуемогo объекта, разработаны различные методы его обработки. Самым простым из них является измерение несущей частоты сигнала с помощью частотомера. Спектральный анализ позволяет более точно выделить доплеровскую составляющую в энергетическом спектре сигнала с фотоприемника. Чтобы повысить точность этих измерений, обычно, предварительно пропускают сигнал через полосовой фильтр, отрезая низкочастотную компоненту с фликкер-шумом и высокочастотные шумы. Существуют и более сложные специальные методы, осуществляющие, например, аналоговую иди цифровую демодуляцию сигнала. В этом случае говорят о применении специализированных процессоров доплеровского сигнала.

Другой альтернативой является применение для обработки сигнала универсальной ЭВМ с ислользованием современных алгоритмов, например, быстрое преобразования Фурье (БПФ) и метода периодограмм. Использование ЭВМ существенно расширяет возможности проведения экспериментов с помощью ЛДА. Заметим, однако, что этот метод используется, как правило, лишь в случае измерения сравнительно невысоких скоростей.

ЛИТЕРАТУРА

1. Б.С. Ринкевичус, Лазерная анемометрия, М., «энергия», 1978

2. Ю.Д. Дубнищев, Б.С.Ринкевичус, Методы лазерной доплеровской анемометрии, М., «Наука»

3. F. Durst, A. Melling, J.H. Whitelaw Principles and practice of laser-doppler anemometry, Academic Press, 1976

Перспектива-создание лазерного анемометра на твердотельном лазере

Фаза световой волны

Одномодовое

1...100 рад×атм/м

Интерферометр Маха-Цендера

Сила электрического тока, напряженность магнитного поля

Магнитострикция

Фаза световой волны

Одномодовое

Чувствительность 10-9 А/м

Интерферометр Маха-Цендера

Сила электрического тока

Эффект Джоуля

Фаза световой волны

Одномодовое

Чувствительность 10 мкА

Интерферометр Маха-Цендера

Ускорение

Механическое сжатие и растяжение

Фаза световой волны

Одномодовое

1000 рад/g

Интерферометр Фабри-Перо

Гидроакустическое давление

Фотоупругость

Фаза световой волны (полиинтерференция)

Одномодовое

Интерферометр Фабри-Перо

Температура

Тепловое сжатие и расширение

Фаза световой волны (полиинтерференция)

Одномодовое

Высокая чувствительность

Интерферометр Фабри-Перо

Спектр излучения

Волновая фильтрация

Интенсивность пропускаемого света

Одномодовое

Высокая разрешающая способность

Интерферометр Майкельсона

Пульс, скорость потока крови

Эффект Доплера

Частота биений

Одномодовое, многомодовое

10-4...108 м/с

Интерферометр на основе мод с ортогональной поляризацией

Гидроакустическое давление

Фотоупругость

Фаза световой волны

С сохранением поляризации

Без опорного оптического волокна

Интерферометр на основе мод с ортогональной поляризацией

Напряженность магнитного поля

Магнитострикция

Фаза световой волны

С сохранением поляризации

Без опорного оптического волокна

Неинтерферометрическая

Гидроакустическое давление

Потери на микроизгибах волокна

Интенсивность пропускаемого света

Многомодовое

Чувствительность 100 мПа

Неинтерферометрическая

Сила электрического тока, напряженность магнитного поля

Эффект Фарадея

Угол поляризации

Одномодовое

Необходимо учитывать ортогональные моды

Неинтерферометрическая

Скорость потока

Колебания волокна

Соотношение интенсивности между двумя модами

Одномодовое, многомодовое

>0,3 м/с

Неинтерферометрическая

Доза радиоактивного излучения

Формирование центра окрашивания

Интенсивность пропускаемого света

Многомодовое

0,01...1,00 Мрад

Последовательного и параллельного типа

Распределение температуры и деформации

Обратное рассеяние Релея

Интенсивность обратного рассеяния Релея

Многомодовое

Разрешающая способность 1 м

Условия реализации волоконных датчиков связаны с наличием оптической комплектации:

- оптическое волокно в различных спектральных диапазонах. Волокно с сохранением поляризации излучения;

- источники оптического (в том числе и в ближнем инфракрасном диапазоне) излучения в диапазоне от 0,6 мкм до 2 мкм. Светодиоды и лазеры. Управление спектром излучения. DFB и DBR лазеры. Возможность модуляции. Ширина спектра излучения. Многомодовое излучение и перескоки с моды на моду. Расходимость излучения и согласование пучков излучения с многомодовым и одномодовым волокном. Система стыковки полупроводникового лазера с оптическим волокном. Температурные характеристики светодиодов и полупроводниковых лазеров. Надежность используемых излучателей. 100 000 часов непрерывной работы (более 10 лет). Оптическая изоляция лазерных источников излучения;

- приемники оптического излучения. Малогабаритность, малое энергопотребление. Высокая чувствительность. Время реакции. Pin фотодиоды, ЛФД фотодиоды. Методы обнаружения светового сигнала.

- стержневые линзы (граданы). Согласование с волокном;

- прямоугольные призмы, уголковая призма, поляризационный расщепитель, призма-поляризатор (Глан-Томпсон, Рошон);

- фазовая пластинка (лямбда/2 лямбда/4);

- оптические изоляторы 50 дБ и более, в коротковолновом (0,8 мкм длинноволновом 1,3 мкм и 1.5 мкм), парамагнитное стекло с добавками (Тербия Tr3+).

- Соединительные и разделительные фильтры (Многослойники, дифракционные решетки);

- модуляторы интенсивности (на основе электрооптического эффекта, ниобат лития, обладающий электрооптическими свойствами, которые зависят от температуры, (которая мешает)), (акустооптические модуляторы интенсивности);

- сдвиг оптической частоты (устройство на основе ультразвукового модулятора, перпендикулярное падение дифракция Рамана – Ната, дифракция Брега);

Волокно в качестве линии передачи

- изменение интенсивности от коэффициента отражения или прохождения (спектр поглощения полупроводников – датчик температуры, эффект пьезопоглощения –датчик давления, изменение спектра поглощения – газовый датчик)

Кроме поглощения Бугера - Ламберта в такой системе регистрируются вещества по отдельным линиям поглощения

Почему в естественных условиях не применяются широкополосные источники излучения? Линии поглощения от различных газов и веществ могут располагаться очень близко друг к другу, или просто перекрываться своими крыльями. В этом случае идентификация отдельных веществ или газов по линиям поглощения может быть затруднена.

Датчик паров воды один из самых востребованных, конкуренция громадная, но и спрос большой (два примера: кирпичный завод и самолетные датчики).

- люминесценция (термолюминесценция – датчик температуры), электролюминесценция (датчик электрического напряжения),

радиоактивная люминесценция (радиоактивный датчик);

- модуляция поляризованного излучения (эффект Фарадея – датчик электрического тока, магнитного поля),

Угол фарадеевского вращения  при напряженности магнитного поля и длине светового пути в веществе  определяется по формуле

Здесь  постоянная Верде, характеризует активность эффекта Фарадея для данного вещества.

В используемой системе анализатор обеспечивает зависимость интенсивности от угла поворота, что обеспечивает количественную оценку величины магнитного поля. Если установить угол между поляризатором и анализатором 45°, то регистрируемая световая мощность определяется по формуле

За какими параметрами надо следить! Стабильность интенсивности излучения и поляризации исходного излучения.

(эффект Поккельса – датчики электрического поля),

При распространении света по выбранному направлению происходит разделение на две моды с линейной поляризацией. В этих кристаллах коэффициент преломления для каждой моды изменяется пропорционально напряженности приложенного электрического поля.

(эффект фотоупругости – датчики давления, колебаний).

Под действием давления в фотоупругих материалах возникает двойное лучепреломление. Это значит входной линейно поляризованный на выходе имеет круговую поляризацию. Следовательно световая мощность измеряемая с помощью светового детектора определяется по формуле

Где  измеряемое давление , так называемое полуволновое давление

Параметр С - постоянная фотоупругости и определяется через коэффициенты преломления, оптическую деформацию и упругость.

- модуляция частоты (эффект Доплера –датчики скорости, вибрации). Используя доплеровский частотный сдвиг можно создать датчик микроскорости.

Волокно в качестве чувствительного элемента

(работа для сельского хозяйства)

Под волоконно-оптическим измерением температуры (английский вариант DTS = Distributed Temperature Sensing) понимают применение оптоэлектронных приборов для измерения температуры, при которой стеклянные волокна используются в качестве линейных датчиков. Типичными случаями применения линейных волоконных температурных датчиков являются сферы, связанные с безопасностью, например, системы пожарного оповещения в автомобильных, железнодорожных или сервисных туннелях; термический контроль силовых кабелей и воздушных линий передач для оптимизации производственных отношений; повышение эффективности нефтяных и газовых скважин; обеспечение безопасного рабочего состояния промышленных индукционных плавильных печей; контроль герметичности контейнеров с сжиженным природным газом на судах в разгрузочных терминалах; обнаружение утечек на плотинах и запрудах; контроль температуры при химических процессах; обнаружение утечек в трубопроводах.

Физические воздействия на оптоволокно, такие как: температура, давление, сила натяжения - локально изменяют характеристики пропускания света и как следствие, приводят к изменению характеристик сигнала обратного отражения. В основе измерительных систем на основе оптоволоконных датчиков используется сравнение спектров и интенсивностей исходного лазерного излучения и излучения, рассеянного в обратном направлении, после прохождения по оптоволокну.

Обратное световое рассеяние при температурном воздействии

Оптические волокна изготовлены из легированного кварцевого стекла. Кварцевое стекло представляет собой разновидность двуокиси кремния (SiO2) с аморфной твердотельной структурой. Температурные воздействия инициируют вибрации в молекулярной решетке. Когда свет попадает на термически возбужденные молекулы, происходит взаимодействие между световыми частицами (фотонами) и электронами. Таким образом, в оптическом волокне происходит световое рассеяние, так же известное, как рамановское рассеяние.

Обратное световое рассеяние состоит из нескольких спектральных составляющих:

• Рэлеевское рассеяние, с длиной волны аналогичной, используемой в лазерном источнике;

• Стоксовы компоненты Рамановского рассеяния с длиной волны большей, чем у используемого лазерного источника, при которых испускаются фотоны;

• Антистоксовы компоненты Рамановского рассеяния с меньшей длиной волны, по сравнению с рэлеевским рассеянием, при которых фотоны поглощаются.

Интенсивность рассеяния, так называемого антистоксова диапазона, зависит от температуры, в то время как, стоксова компонента от температуры практически не зависит. Локальная температура оптического волокна выводится из отношения антистоксовой и стоксовой интенсивностей света. Бриллюэновские линии, которые более интенсивны, чем Стоксовы, но имеют меньший спектральный сдвиг. Этот спектральный сдвиг вызван акустическими колебаниями кристаллической решетки волокна и несет в себе информацию о механических напряжениях и температурах, воздействующих на волокно. Воздействие механических напряжений и температур приводит к изменению положения Бриллюэновской линии на шкале длин волн.

Датчики температуры на основе Рамановских линий

Самым современным оборудованием в системе мониторинга распределения температуры, например в трубопроводах, является распределенный оптоволоконный датчик температуры на основе Рамановских линий. Принципом работы датчика является то, что интенсивность Стоксовой Рамановской компоненты рассеянного излучения практически не зависит от температуры, а интенсивность Антистоксовой линии сильно связана с температурой. Это позволяет, определяя отношение интенсивности Антистоксовой линии и Стоксовой линии, определять значение температуры. Данный подход позволяет избавиться от погрешности, связанной с возможными флуктуациями мощности зондирующего лазерного импульса. Системы этого типа могут работать на расстояниях в несколько километров. Пространственное разрешение может достигать 0,5 м.

Самым известным методом основанным на эффекте обратного рассеивания является метод OTDR (= Optical Time Domain Reflectometry или оптическая рефлектометрия во временной области). В его основе заложен импульсно-акустический метод (импульсы и эхо), в результате разницы времени распространения между временем передачи и обнаружения световых импульсов можно определить уровень и место рассеивания.   Поэтому локально распределенный датчик температуры Рамана с техникой OTDR может быть реализован только с помощью мощных (дорогих) импульсных лазеров (обычно лазеров с твердым рабочим веществом) и быстрой, также дорогостоящей, техникой передачи сигналов. Разработанный компанией «LIOS Technology GmbH» температурный датчик Рамана OFDR (OFDR, Optical Frequency Domain Reflectometry = рефлектометрия частотной области) работает не во временном диапазоне, как техника OTDR, а в частотном. При методе OFDR получают информацию о локальном изменении температуры, если сигнал обратного рассеивания, обнаруженный на протяжении всего времени измерения, измеряется как функция частоты и в комплексе (комплексная передаточная функция), а затем подвергается преобразованию Фурье. Существенными преимуществами техники OFDR являются режим квазинепрерывного излучения лазера и узкополосное обнаружение оптического сигнала обратного рассеивания, вследствие чего, достигается значительно более высокое отношение сигнал / шум, чем при использовании импульсной техники. Данное техническое преимущество позволяет использовать недорогие полупроводниковые лазерные диоды и недорогостоящие электронные блоки для передачи сигналов. Им противопоставляется технически сложное измерение комбинационного рассеиваемого света (комплексное измерение в соответствии с величиной и фазой) и высокая затратная часть из-за БПФ (блока преобразования Фурье), необходимого для обработки сигнала и с более высокими требованиями к линейности электронных блоков и компонентов.

Схематическая структура волоконно-оптической системы измерения температуры состоит из блока формирования сигнала с частотным генератором, лазера, оптического модуля, приемного блока и блока микропроцессора, а также световодного кабеля (кварцевое стеклянное волокно) в качестве линейного температурного датчика. В соответствии с методом OFDR интенсивность лазера в течение интервала времени измерения модулируются синусообразно, а частота — в виде линейной частотной модуляции. Отклонение частоты является прямой причиной для локального срабатывания рефлектометра. Частотно-модулированный свет лазера направляется в световод. В любой точке вдоль волокна возникает комбинационный рассеянный свет, излучаемый во всех направлениях. Часть комбинационного рассеянного света движется в обратном направлении к блоку формирования сигнала. Затем выполняется спектральная фильтрация света обратного рассеивания, его преобразование в измерительных каналах в электрические сигналы, усиление и электронная обработка. Микропроцессор проводит расчет преобразования Фурье. В качестве промежуточного результата получают кривые комбинационного обратного рассеивания как функцию длины кабеля. Амплитуда кривых обратного рассеивания пропорциональна интенсивности соответствующего комбинационного рассеивания. Из отношения кривых обратного рассеивания получают температуру волокна вдоль световодного кабеля. Технические спецификации системы измерения температуры Рамана могут быть оптимизированы посредством настройки параметров прибора (дальность действия, локальное разрешение, точность температуры, время измерения). Возможна также регулировка световодного кабеля в соответствии с возможностями конкретного случая применения. Термическая стойкость стекловолоконного покрытия ограничивает максимальный диапазон температуры световодного кабеля. Стандартные волокна для передачи данных располагают акриловым покрытием или покрытием, затвердевшим в результате УФ (ультрафиолетового) излучения, и пригодны для диапазона температур до 80 °C. Стекловолокно с полиамидным покрытием может использоваться до максимальной температуры 400 °C.

Бриллюэновские системы Как отмечено ранее, спектральный сдвиг Бриллюэновской линии вызван акустическими колебаниями кристаллической решетки волокна и несет в себе информацию о механических напряжениях и температурах, воздействующих на оптоволокно. Созданные к настоящему времени алгоритмы обработки сигналов таких систем позволяют разделить информацию о температуре и о механических воздействиях. Для Бриллюэновской системы мониторинга типичны следующие характеристики: расстояние, на которое может работать единичная система – 40 – 50 км при пространственном разрешении 1 – 2 метра. К недостаткам Бриллюэновских систем мониторинга следует отнести сложность их устройства, которая обуславливает высокую стоимость. Преимуществом Бриллюэновских систем является возможность работы с сенсорными кабелями на основе обычного дешевого связного волокна. Время получения сигнала с таких систем составляет ориентировочно 1 – 2 минуты. При работе с более длинными линиями время измерений возрастает. Для повышения чувствительности и значительного сокращения времени измерений используется метод, основанный на стимулированном Бриллюэновском рассеянии. Он отличается от систем на спонтанном рассеянии тем, что в волокно направляются одновременно непрерывное «пробное» лазерное излучение и мощный импульс накачки Системы мониторинга на основе стимулированного Бриллюэновского рассеяния обеспечивают работу на расстояние порядка 50 км (возможны большие расстояния) с пространственным разрешением от 0,5 м. Минимальная частота получения измерительной информации может составлять значения порядка одного Герца.

Датчики на основе интерференции

Волоконно-оптические интерферометры:

Кольцевой

Кольцевой Фабри-Перо

Маха – Цендера

Майкельсона

Автомобиль, как грузовой, так и легковой представляем в качестве самодиагностируемой системы, в которой все параметры должны контролироваться перманентно.

Требуется контроль:

- уровня масла

- Уровень бензина

- напряжение на аккамуляторе

- ток разряда акамулятора через стартер

- наличие СО в выхлопных газах

- индикаторы закрытия дверей


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

19183. Технология производства труб для реакторов на быстрых нейтронах 146.5 KB
  ЛКЦИЯ 18 Технология производства труб для реакторов на быстрых нейтронах В реакторах на быстрых нейтронах оболочки твэлов и чехлы ТВС выполнены из нержавеющих сталей. Типичная технология изготовления оболочек твэл из нержавеющих сталей включает следующие операци...
19184. Герметизация тепловыделяющих элементов 1.51 MB
  ЛЕКЦИЯ 19 Герметизация тепловыделяющих элементов Эксплуатационная надежность твэлов во многом определяется качеством выполненных сварных соединений. Она прямым образом связана со свариваемостью используемых конструкционных материалов с конструкцией соединений...
19185. Сварка твэлов с оболочками из легкоокисляющихся металлов 1.07 MB
  ЛЕКЦИЯ 20 Герметизация тепловыделяющих элементов. Сварка твэлов с оболочками из легкоокисляющихся металлов Газодувная сварка. Как правило сварку при изготовлении твэлов с использованием оболочек из легкоокисляющихся металлов в частности циркониевых сплаво
19186. Сборка твэлов и ТВС энергетических реакторов 3.04 MB
  ЛЕКЦИЯ 21 Сборка твэлов и ТВС энергетических реакторов В активную зону современных энергетических реакторов загружается 40 50 тысяч твэлов. Производительность завода по производству твэлов составляет несколько сотен тысяч в год. К твэлам предъявляются высокие треб
19187. Контроль твэлов и ТВС энергетических реакторов 319.5 KB
  ЛЕКЦИЯ 22 Контроль твэлов и ТВС энергетических реакторов Качество промышленной продукции регламентируется государственными и отраслевыми стандартами техническими условиями и другими нормативными документами. Твэлы являются продукцией для которой вероятность о
19188. Моделирование процессов производства твэлов и ТВС по методу IDEF3 в среде Bpwin 20.05 MB
  ЛЕКЦИЯ 23 Моделирование процессов производства твэлов и ТВС по методу IDEF3 в среде Bpwin Для оптимизации последовательности и времени выполнения технологических операций широко применяются методы сетевого планирования. В настоящее время известны программные продукты...
19189. Элементный и структурный анализ в развитии современных технологий 112 KB
  электронный конспект лекций Лекция 1 Элементный и структурный анализ в развитии современных технологий. Основные определения используемые в последующем изложении. Упругое рассеяние в лабораторной системе координат. Широкое внедрение тонкопленочных технологий ис...
19190. Упругое рассеяние в системе центра масс. Связь между сечением рассеяния и прицельным параметром 171 KB
  Лекция 2 Упругое рассеяние в системе центра масс. Связь между сечением рассеяния и прицельным параметром. Вычисление сечения рассеяния в лабораторной системе координат по известному сечению рассеяния в системе центра масс. Рассмотрим процесс упругого рассеяния в сис
19191. Сечение рассеяния в кулоновском и обратноквадратичном потенциале 136.5 KB
  Лекция 3 Сечение рассеяния в кулоновском и обратноквадратичном потенциале. Кулоновский потенциал взаимодействия имеющий вид Ur = /r где  = q1q2 – один из немногих потенциалов для которого можно вычислить аналитически дифференциальное сечение рассеяния. На его приме