Оптоэлектронные датчики - Козлов В.Л.
Скачать (прямая ссылка):
Для полного внутреннего отражения света, входящего в волокно под углом 0, необходимо, чтобы выполнялось условие
0 <0< Sin-'VЩ -n22 = 0max . (115)
Поскольку разница между коэффициентами преломления в сердечнике и оболочке лежит в пределах 0,01, то величину 0max можно представить следующим образом: 0max -4«12 - «22 (116)
Это максимальный возможный угол, под которым свет может проходить в оптическое волокно, т. е. приниматься им. Называется такой угол числовой апертурой и обозначается NA (Numerical Aperture).
При рассмотрении оптических волокон вместо разности п1 и n2 чаще всего используется величина, называемая относительной разностью ко-
11 А «1 — «? «1 — «? /11 ПЧ
эффициентов преломления: А = ——- —1--------- (117)
2n1 п2
Если воспользоваться значением А, то зависимость между NA и А может быть представлена следующим образом: NA = щШ.
92
Относительная разность коэффициентов преломления А обычно выражается в процентах. Тогда, например, при п1=1,47 и А=1% значение
Ж=0,21 и 0max=120.
12.2. Классификация волоконно-оптических датчиков
Как и электрические, ВОД могут быть активными и пассивными. Первые, под воздействием на них измеряемой величины, сами генерируют световое излучение, которое по волоконному световоду поступает на фотоприемник (ФП). Информативным параметром генерируемого ВОД оптического сигнала в этом случае выступает его интенсивность (величина оптической мощности). На основе таких ВОД можно построить измерители температуры, интенсивности ультрафиолетового, рентгеновского, гамма- и других жестких излучений, энергия которых достаточна для преобразования ее тем или иным способом в оптическое излучение.
Гораздо шире представлены пассивные ВОД, в которых измеряемая величина модулирует проходящий через ВОД поток оптического излучения, специально генерируемый источником излучения. В основу классификации таких ВОД целесообразно положить различия оптических схем модуляции света в отношении измеряемой физической величины: амплитудная, фазовая, изменение поляризации, модуляция спектра или длительности оптического излучения (временных интервалов или частоты следования импульсов). В простейшем случае измеряемая величина непрерывно модулирует какой-либо из перечисленных выше параметров, адекватно отображаясь в нем.
Если классифицировать волоконно-оптические датчики с точки зрения применения в них оптического волокна, то, их можно разделить на датчики, в которых оптическое волокно используется в качестве чувствительного элемента (рис.52,а) и датчики, в которых оно используется в качестве линии передачи (рис.52,б,в) [17]. Датчики типа «линии передачи»- это как правило амплитудные и поляризационные, использующие в основном многомодовые оптические волокна, а датчики сенсорного типа- фазовые (на основе одномодовых волокон) и частотные (на основе как одномодовых, так и многомодовых волокон). Датчики с ОВ в качестве чувствительного элемента строятся на основе кольцевых интерферометров, интерферометров Маха-Цандера, интерферометров Фабри-Перо, интерферометров Майкельсона, интерферометров на основе мод с ортогональной поляризацией, а также могут быть неинтерферометрические (например, частотные рециркуляционного типа), а также последовательного и параллельного типа (распределенные датчики, основанные на нелинейных эффектах в волоконных световодах).
93
Объект
Оптическое
волокно
Источник света
Индикатор
Преобразователь “физическая величина-свет”
Индикатор
Оптическое
волокно
Объект
Оптическое
волокно
S
D"4yB Р ствительный элемент
&
Источник света
Индикатор
в)
б)
Рис. 52. Классификация основных структур волоконно-оптических датчиков:
а—с изменением характеристик волокна (в том числе специальных волокон) б — с изменением параметров передаваемого света
в—с чувствительным элементом на торце волокна
Чувствительным элементом может быть как сам измеряемый объект, так и специальный элемент, прикрепляемый к нему
12.3. ВОД с оптическим волокном в качестве линии передачи
Принцип устройства. Волоконно-оптические датчики, в которых оптическое волокно служит линией для распространения света, можно разделить на датчики с оптическим преобразователем и датчики с оптическим зондом.
Датчики с оптическим преобразователем (рис. 53,а) представляют собой систему, содержащую какой-либо оптический материал или чувствительный к механическому воздействию оптический элемент, преобразующие изменение параметров внешней среды в изменение параметров светового луча. Преобразователь помещен между торцами передающего и приемного оптического волокна. Применяются главным образом многомодовые волокна и пучки волокон. В качестве источника света здесь чаще всего используются светодиоды с малыми шумами, а в качестве детектора света - ^/«-фотодиоды, обладающие термостабильными характеристиками. Датчики этой системы обычно просты по конструкции и, как правило, высоконадежны.
Схема датчика с зондом из оптического волокна приведена на рис. 53,б. Здесь световая информация, излучаемая, отраженная или рассеянная объектом измерения, выделяется с помощью сенсорной головки, состоящей из соответствующего объектива и оптического волокна, и поступает в световой детектор. Используются разнообразные оптические волокна (одномодовые, многомодовые), а также волоконные пучки.
