Оптоэлектронные датчики - Козлов В.Л.
Скачать (прямая ссылка):
Эффекты, связанные с модуляцией фазы.
Если волновые фронты двух когерентных световых лучей накладываются друг на друга, то при суммировании интенсивности лучей могут получаться различные (в зависимости от распределения фаз и интенсивности обеих световых волн) интерференционные картины. Следовательно, изучая интерференционную картину, можно измерять нужную величину. Для этой цели используются различные интерферометры, в том числе и на оптических волокнах.
Отношение сигнал-шум для измеряемого сигнала. Отношение сигнал -шум для измеряемого волоконно-оптическим датчиком реального сигнала выражается следующей формулой [18]:
97
S =______________mMSp PQ___________ (119)
N J(2eM2+xS0P0 + 4kT / Rl )B + N„ ’
где числитель - это информационная, а знаменатель - шумовая составляющая сигнала; первый член знаменателя обозначает дробовой шум светового детектора, второй член—тепловые шумы сопротивления нагрузки, а третий (Nex) - другие, так называемые избыточные шумы; т -глубина модуляции интенсивности света в оптическом датчике; М - коэффициент усиления светового детектора; S0 - чувствительность светового детектора, А/Вт; Р0 - мощность принимаемого света, Вт, х - коэф-
23
фициент шума светового детектора; к = 1,380-10- Дж/К- постоянная Больцмана; Т—абсолютная температура. К; Rl - сопротивление нагрузки светового детектора, Ом; S-частотная полоса детекторной системы, Гц. Способы улучшения отношения сигнал - шум.
1. Увеличение глубины модуляции. Применяются оптические материалы с повышенной чувствительностью. Кроме того, оптимизируется конструкция самого датчика и его светочувствительной части.
2. Увеличение мощности принимаемого света. Наряду с оптимальным выбором источника света и оптического волокна принимаются меры по снижению потерь в соединении источника света с оптическим волокном, а также вносимых потерь светочувствительной части, различных элементов оптической схемы, оптических разъемов и т. д.
3. Оптимизация светового детектора. Выбирается световой детектор с наибольшей чувствительностью именно к тем световым волнам, которые излучаются используемым источником света. Среди лавинных фотодиодов выбираются те, которые обладают большим коэффициентом усиления и меньшим уровнем избыточных шумов.
4. Уменьшение уровня избыточных шумов (Nex). К избыточным относятся собственные шумы источника света (особенно лазеров), шумы, обусловленные внешними повреждениями оптического волокна, флюктуациями потерь на стыке волокна со светочувствительной частью (обычно называемыми дрейфом) и т. д.
ЛЕКЦИЯ 13
13.1. Температурные датчики
Датчик на основе поглощения света полупроводником. На рис.54 приведена структура [17] и поясняется принцип действия температурного датчика, работа которого базируется на оптических свойствах полупроводников типа GaAs, CdTe и т. д.
98
а)
Г'
Схема боздуждения,
Генератор
импульсов
Оптический.
отбетбитель
Ьь2 ^¦'7
xCtfewo&oo1 '/(’/UQ-aAs
Выходной сигнал
Логарифмический
преоЕразобатель
Схема кбантобания и запоминания
—1, разъемы
Светодиод Z (JnQaAsP) Г у Сбетоприемнин
Германиевый
лабинный
фотодиод
Х^0}88мт _ Х2=1у17мт 11 II Термочувствительный оптичесний элемент
Олтит
Усилитель
в)
Рис.54 Температурный датчик на основе поглощения света полупроводником
Полупроводник имеет граничную длину волны спектра оптического поглощения (рис.54,а), и для света с более короткой длиной волны, чем Х& поглощение усиливается, причем по мере роста температуры граничная длина волны ^g отодвигается в сторону более длинных волн (примерно 3 А/К). Если полупроводниковый кристалл зажать между приемным и передающим оптическими волокнами (рис.54,б) и подать на него луч от источника света, имеющего спектр излучения в окрестности указанной границы спектра поглощения, то интенсивность света, проходящего через светочувствительную часть датчика, с повышением температуры будет падать. Таким образом, по выходному сигналу детектора можно измерять температуру. Для снижения погрешности измерения, обусловленной колебаниями потерь в оптических соединителях, потерь передачи и другими факторами, можно воспользоваться двухволновым методом.
Структурная схема датчика приведена на рис.54,в. Используя в качестве термочувствительного материала GaAs, в качестве источника оптического сигнала AlGaAs-светодиод (^=0,87 мкм), а источника опорного
99
света—InGaAsP-свето-диод (Х2=1,3 мкм), можно измерять температуру в интервале 30...300°С с погрешностью ±0,5°С и временем отклика около 2 с. В данном устройстве используется многомодовое оптическое волокно с тефлоновой оболочкой в качестве линии передачи.
Датчик на основе флюоресценции. На торец оптического волокна светочувствительной части нанесено флуоресцентное вещество [(Gd0,99Eu0,01)2O2S]. Флуоресцентное излучение, возникающее под воздействием ультрафиолетовых лучей, проводимых оптическим волокном, принимается этим же волокном. Для спектральных составляющих флуоресцентного излучения характерно изменение по кривой в (при Я,=510 нм) (рис.55), т.е. сильная зависимость от температуры, и по кривой а (при А=630 нм), т.е. слабая зависимость от температуры, а температурный сигнал выявляется путем вычисления отношения соответствующих значений интенсивности p/а (метод двух длин волн). Область измерения таким температурным датчиком простирается от -50 до +200 °С с погрешностью ±0,1 °С и временем отклика не более 1 с.
