Оптоэлектронные датчики - Козлов В.Л.
Скачать (прямая ссылка):
Кроме описанных выше, известны температурные датчики, работающие на основе температурной зависимости коэффициента отражения для светового луча в жидком кристалле, а также датчики, в которых используется изменение спектра прозрачности из-за температурной зависимости длины волны перескока в резонаторе Фабри-Перо.
13.2. Датчики механических величин
Датчики давления с отражательной диафрагмой. На рис.56 представлена структура датчика давления, в котором используется изменение диафрагмой условий отражения света. Волоконно-оптический жгут (рис.5б,а) состоит из передающих и приемных волокон. Свет, вводимый в передающие волокна, отражается диафрагмой. При этом коэффициент связи между передающими и принимающими волокнами изменяется в соответствии с положением диафрагмы, которое, в свою очередь, зависит от давления. На рис.56,в представлена зависимость интенсивности принимаемого света от размещения приемных и передающих волокон в жгуте (рис.56,б).
чик на основе люминесцентного излучения
100
ш
----------------7
Диафрагма
а)
Размещение волокон в жгуте (О передающие волокна, • приемные волокна
Случайное (R) \о8о*У Пополам (H) С передающими волокнами в центре (CTI)
б)
Рис. 56. Датчик давления с отражательной диафрагмой
в)
Датчик давления используется в диапазоне, где зависимость интенсивности света от зазора сравнительно линейна. Датчик давления, в котором используется жгут диаметром 1,8 мм из 100 оптических волокон и диафрагма из нержавеющей стали толщиной 15 мкм позволяет измерять
давления до 2,7 -104 Па. Подобные датчики применяются для измерения давления жидких сред, например давления крови.
Конструкцию датчика давления такого типа можно несколько усовершенствовать и тем самым повысить точность измерения. На диафрагму наносится фотолюминесцентный материал, обеспечивающий излучение опорного света, а измерение производится по методу двух волн.
Датчик сдвига и колебаний с зондом из волоконного жгута. Для измерения сдвига и колебаний физических тел можно воспользоваться тем же принципом, что и в вышеописанном датчике с отражательной диафрагмой. Принцип действия датчика сдвига и колебаний поясняется на рис.57. При измерениях сдвига от 100 мкм в области рабочих температур от -75 до + 150 оС получена линейность ±5% и максимальная разрешающая способность 0,014 мкм. Как датчик колебаний такая конструкция обеспечивает измерение в частотном диапазоне от постоянного тока до 200 кГц. Достоинство подобных датчиков - бесконтактный метод измерения.
101
Рис. 57. Датчик сдвига и колебаний с Рис. 58. Датчик давления с волоконным
зондом из пучка волокон пробником я жидким кристаллом на его
торце
Датчик давления с жидкокристаллическим зондом. На рис. 58 приведена схема датчика давления, в котором используется влияние давления на коэффициент рассеяния света жидким кристаллом. Применяя композиционный жидкий кристалл, состоящий на одну треть из холерестиче-ского кристалла и на две трети из нематического, можно измерять с хорошей линейной характеристикой давление до 4 104 Па. Недостаток таких датчиков - сильная зависимость выходного сигнала от температуры, поэтому необходима температурная компенсация.
13.3. Датчики концентрации химических веществ
Датчик концентрации газа. Свет, излучаемый лазером или светодиодом, поступает а сосуд с измеряемым газом через многомодовое оптическое волокно. Из проходящих через газ световых волн будут поглощаться только те, которые входят в спектр поглощения этого газа. Таким образом, подавая (также с помощью многомодового оптического волокна) выходящий из сосуда с газом свет на световой детектор, можно определять род газа и измерять его концентрацию. Подобные газовые датчики можно использовать для дистанционного наблюдения за степенью загрязнения атмосферы (газами N2O2, NH3, CH4 и др.) и за концентрацией горючих газов (CH4, C3H8 и др.)
Датчик насыщенности крови кислородом. Измерение насыщенности крови кислородом необходимо при исследованиях и лечении болезней систем кровообращения и дыхания. Как следует из рис.59,а, гемоглобин красных кровяных телец имеет различный характер изменения коэффициента отражения в зависимости от степени насыщенности кислородом для световых волн различной длины. Например, в диапазоне 620...650 нм зависимость сильная, а для волн 800...850 нм - слабая.
102
Рис.59. Принцип действия (а) и структура (б) датчика насыщенности крови кислородом НЬ — гемоглобин
На рис.59,б приведена структурная схема датчика, работающего именно на этом принципе. Здесь используется кабель из оптических волокон, имеющий три ветви: две для двух источников света на светодиодах, различающихся длиной волны излучения, а одна - для светоприемного pin-фотодиода. Датчик обеспечивает точное измерение насыщенности кислородом, благодаря тому, что вычисляется отношение выходных электрических сигналов, полученных на двух длинах световых волн. На основе этого же принципа можно измерить концентрацию кристаллического вещества, введенного в кровь (например, зеленого индоцианина), или такие параметры, как рН, р02, рС02 и т. п.
