Оптоэлектронные датчики - Козлов В.Л.
Скачать (прямая ссылка):
94
а)
Направленный
Рис. 53. Схемы датчиков с оптическим преобразователем (а) и оптическим зондом (б)
В качестве источника света в зависимости от типа датчика применяется лазер или светодиод. Волоконно-оптические датчики этого типа отличаются высокой чувствительностью и обычно применяются в области бесконтактных измерений.
Физические эффекты, на которых основаны измерения. Для световой волны, распространяющейся в виде синусоидальных колебаний, вектор напряженности электрического поля можно описать следующей формулой: E = A sin (at + ф) (118)
Из этой формулы следует, что измеряемым объектом может модули-
роваться интенсивность света
A
, его поляризация (направление векто-
ра A), частота ю, фаза ф и любой из этих видов модуляции может применяться в волоконно-оптических датчике.
Эффекты, связанные с модуляцией интенсивности.
1. Поглощение света. Характеристики поглощения света веществом зависят от свойств и размеров измеряемого объекта, и для датчика можно использовать их изменение, например: температурную зависимость
95
граничной длины световой волны спектра поглощения у полупроводников (датчик температуры); эффект Франца-Келдыша (датчик электрического поля), эффект пьезопоглощения (датчик давления), изменение спектра молекулярного поглощения (газовый датчик) и т. д.
2. Отражение. В датчиках используется изменение интенсивности света, отраженного от диафрагмы (датчик давления), жидкого кристалла (датчик давления, температуры), жидкости (датчик уровня жидкости, датчик жидкости) и т. д.
3. Люминесценция. Здесь используются явления, при которых происходит светоизлучение в результате приема различных корпускулярных лучей, химического или физического воздействия. Это, например, такие явления, как термолюминесценция (датчик температуры излучения черного тела), электролюминесценция (датчик электрического напряжения), радиоактивная люминесценция (радиационный датчик) и т. д.
4. Другие эффекты. Кроме перечисленных явлений используются дифракция света (датчики чистоты обработки поверхности), испускание веществом обыкновенного луча (температурный датчик) и т. д.
Эффекты, связанные с модуляцией поляризованного луча.
1. Эффект Фарадея (датчики электрического тока, магнитного поля). Если при передаче линейно поляризованной световой волны в ферромагнетике действует магнитное поле, вектор напряженности которого совпадает с направлением распространения света или противоположен ему, то плоскость поляризации светового луча будет поворачиваться. Это явление, называемое эффектом Фарадея, - следствие анизотропии преломляющих свойств среды для световых волн с правой и левой круговой поляризацией, которая возникает под воздействием магнитного поля. При этом знак угла поворота плоскости поляризации не зависит от направления распространения света (по вектору напряженности магнитного поля или против него).
2. Эффект Поккельса (датчики электрического напряжения, напряженности электрического поля). Если подавать на кристалл, например, пьезоэлектрика, электрическое напряжение, то коэффициент преломления в нем изменяется пропорционально напряженности электрического поля. Это явление называется эффектом Поккельса или электрооптиче-ским эффектом первого порядка.
3. Эффект фотоупругости (датчики давления, колебаний, звукового давления). При деформации упругого тела изменяется коэффициент преломления этого тела и проявляются свойства двойного лучепреломления. Это эффект фотоупругости. Эффект Поккельса наблюдается только в
96
пьезоэлектрических кристаллах, а эффект фотоупругости — во всех веществах.
4. Другие эффекты. Наряду с эффектом Фарадея, обусловленным магнитным полем, известен аналогичный эффект по отношению к электрическому полю. Это явление называется электрогироскопическим эффектом (в основе датчика электрического поля). Суть его в том, что плоскость поляризации вращается под воздействием электрического поля. Кроме того, известен эффект Керра, при котором коэффициент преломления вещества изменяется пропорционально второй степени напряженности электрического поля (датчик электрического поля) и др.
Эффекты, связанные с модуляцией частоты.
1. Эффект Доплера (датчики скорости, вибрации, потока). Если осветить движущийся объект лучом лазера, то частота света, рассеиваемого объектом, будет иметь сдвиг относительно частоты падающего на него света. Это явление известно как эффект Доплера.
2. Рамановское рассеяние (газовый датчик). Если осветить вещество интенсивным светом, то можно наблюдать появление дополнительных световых волн с частотой выше и ниже частоты исходного света. Это явление связано с колебаниями молекул вещества и может быть использовано для измерения концентрации газов, загрязненности атмосферы.
3. Фотолюминесценция (температурный датчик). Если освещать полупроводник светом с длиной волны более короткой, чем на краю основного спектра поглощения света, то свет поглощается и возбуждает электроны валентной зоны. Электроны рекомбинируют с дырками, и излучается свет с длиной волны, зависящей от ширины запрещенной зоны. Это явление называется фотолюминесценцией. Ширина запрещенной зоны, в свою очередь, зависит от температуры, поэтому по длине волны излученного света можно измерять температуру.
