Оптоэлектронные датчики - Козлов В.Л.
Скачать (прямая ссылка):
89
= Q.5Ni 1 , (115)
x N 2AKL
где L - длина контролируемой трассы, АК - дифференциальный коэффициент поглощения газа, N1 - число периодов рециркуляции на длине волны Х1 и уменьшенном в Q.5 раз пороге регистрации. Измеряя частоту (период) рециркуляции на длине волны вне полосы поглощения газа определяется длина контролируемой трассы.
Как видно из расчетной формулы (9), в нее не входят амплитуды дистанционных импульсов, величина порога компаратора, длительность фронта импульса. Поэтому одновременное изменение амплитуды дистанционных импульсов на длинах волн Х1 и Х2, обусловленное, например, изменением параметров окружающей среды, задымленностью, изменением параметров приемно-передающего тракта и т.п. не будет влиять на точность измерений.
Повышение точности измерений концентрации газа по сравнению с известными системами обусловлено тем, что в предлагаемом методе не происходит прямого измерения амплитуды дистанционного импульса, а изменения амплитуды преобразуется в изменения частоты рециркуляции на данной длине волны. При этом значение частоты можно легко измерить с погрешностью 10-5...10-6, а погрешность измерения амплитуды
2 3
импульса равняется 10" ...10" . За счет этого достигается повышение точности измерений. Датчик можно использовать для непрерывного трассового измерения малых концентрации газа (СО, СН4, SO2) на уровне предельно допустимых, например в черте города над автомобильными магистралями с интенсивным движением.
ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ ЛЕКЦИЯ 12
За последние годы успехи в технологии производства полупроводниковых инжекционных лазеров, волоконных световодов, фотоприемников и других оптоэлектронных компонент способствовали расширению области применения волоконно-оптических датчиков (ВОД). Развитие ВОД идет по пути замены традиционных датчиков с целью повышения технических параметров или получения новых функциональных возможностей при работе в условиях различного рода электромагнитных помех, элек-тро-, пожаро- и взрывоопасности. В области практического использования ВОД уже заняли определенную нишу, и она постоянно расширяется с повышением качества и удешевлением технологии изготовления [17].
90
12.1.Оптические волокна для датчиков
Отметим общие достоинства оптического волокна как структурного элемента датчика:
- широкополосность (предполагается до нескольких десятков терагерц);
- малые потери (минимальные 0,154 дБ/км);
- малый (около 125 мкм) диаметр;
- малая (приблизительно 30 г/км) масса;
- эластичность (минимальный радиус изгиба 2 мм);
- механическая прочность (выдерживает нагрузку на разрыв ~ 7 кг);
- отсутствие взаимной интерференции оптических волокон;
- безындукционность (практически отсутствует влияние электромагнитной индукции, а, следовательно, и отрицательные явления, связанные с грозовыми разрядами, близостью к линии электропередачи, импульсами тока в силовой сети);
- взрывобезопасность (гарантируется абсолютной неспособностью волокна быть причиной искры);
- высокая электроизоляционная прочность (например, волокно длиной 20 см выдерживает напряжение до 10000 В);
- высокая коррозионная стойкость, особенно к химическим растворителям, маслам, воде.
В практике использования волоконно-оптических датчиков имеют наибольшее значение последние четыре свойства. Достаточно полезны и такие свойства, как эластичность, малые диаметр и масса. Широкопо-лосность же и малые потери значительно расширяют функциональные возможности оптических волокон для построения датчиков различного назначения [16].
Рис.50. Одномодовое (а) и многомодо- Рис.51 Типовая структура оптического во-вое (б) оптическое волокно локна и распространение света в нем
Оптическое волокно обычно бывает одного из двух типов: одномодовое, в котором распространяется только одна мода (тип распространения передаваемого электромагнитного поля), и многомодовые - с передачей множества (около сотни) мод. Конструктивно эти типы волокон разли-
91
чаются только диаметром сердечника - световедущей части, внутри которой коэффициент преломления чуть выше, чем в периферийной части-оболочке (рис.50).
В технике используются как многомодовые, так и одномодовые оптические волокна. Многомодовые волокна имеют большой (примерно 50 мкм) диаметр сердцевины, что облегчает их соединение друг с другом. Но поскольку групповая скорость света для каждой моды различна, то при передаче узкого светового импульса происходит его расширение (влияние дисперсии). По сравнению с многомодовыми у одномодовых волокон преимущества и недостатки меняются местами: дисперсия уменьшается, но малый (5...10 мкм) диаметр сердечника значительно затрудняет соединение волокон этого типа и введение в них светового луча лазера. В сенсорной оптоэлектронике, за исключением датчиков-интерферометров, используются многомодовые оптические волокна. Это обстоятельство объясняется еще и тем, что в датчиках длина используемых оптических волокон значительно меньше, чем в системах оптической связи, что уменьшает влияние дисперсии.
Оптическое волокно состоит из сердечника, по которому распространяется излучение, и оболочки. Последняя, в свою очередь, заключена в оплетку, которая защищает поверхность волокна, повышает его прочность и тем самым упрощает эксплуатацию. Коэффициент преломления п1 сердечника лишь незначительно превышает коэффициент преломления п2 оболочки (рис. 51), поэтому свет, введенный в сердечник с торца волокна, полностью отражается от границы сердечника и оболочки, как бы запирается в сердечнике и распространяется только в нем.
