Оптоэлектронные датчики - Козлов В.Л.
Скачать (прямая ссылка):
13.4. Датчики на основе поляризации света
Датчик магнитного поля на основе эффекта Фарадея. Эффект Фарадея заключается в том, что под воздействием магнитного поля, вектор напряженности которого совпадает с направлением света, наблюдается поворот плоскости поляризации света, проходящего через вещество. Угол фарадеевского вращения фF при напряженности магнитного поля
H, длине светового пути в веществе L выражается как
Ф F = VrHL (120)
Здесь величина Vr, называемая постоянной Верде, характеризует активность эффекта Фарадея для данного вещества.
На рис.60 приведена структурная схема датчика магнитного поля. Световые лучи передаются от источника света (обычно светодиода) в светочувствительную часть датчика с помощью многомодового оптического волокна. В чувствительной части световая волна с линейной поляризацией попадает через поляризатор в элемент Фарадея, где под воздействием магнитного поля происходит поворот плоскости поляризации.
103
Магниточувствительная оптическая часть
оптическое волокно Рис. 60. Датчик магнитного поля на основе эффекта фарадея
Значение угла поворота преобразуется анализатором в значение интенсивности света, и далее свет передается оптическим волокном в светоприемное устройство. При этом, если установить угол между поляризатором и анализатором 450, то световая мощность на поверхности детектора (обычно pin-фотодиода) P = P0(1 + sin фF), где P0 - мощность света при отсутствии магнитного поля. Как видно из формулы, магнитное поле можно измерять по электрическому сигналу детектора.
Датчики электрического поля на основе эффекта Поккельса. Среди кристаллов имеются такие, в которых одному направлению распространения света соответствуют две моды с линейной поляризацией. В этих кристаллах коэффициент преломления для направления поляризации каждой моды (для главных осей) изменяется пропорционально напряженности приложенного электрического поля. Это явление называется эффектом Поккельса или, иначе, электрооптическим эффектом первого порядка.
Если между модами света с линейной поляризацией возникает разность фаз 8, то световая волна на выходе элемента Поккельса имеет круговую поляризацию. Расположенная после элемента Поккельса четвертьволновая пластина преобразует входящие в нее световые волны с круговой поляризацией в световые волны с линейной поляризацией, т.е. осуществляет оптическое смещение первого порядка. С выхода четвертьволновой пластины свет поступает на анализатор, которым модуляция по поляризации преобразуется в модуляцию по интенсивности. При этом световая мощность оценивается световым детектором и выражается как
104
Р = P0
r U л
i + sin п ex
U
где Uex = EL , Un=X /(2«0y) ,
(i2i)
п у
где Р0-мощность света при отсутствии электрического поля, L-длина оптического пути элемента, «0-коэффициент преломления при отсутствии электрического поля, E-напряженность приложенного электрического поля, ип-полуволновое напряжение, при котором сдвиг фаз равен п, у-электрооптический коэффициент. Исходя из этих формул, по измеренному значению световой мощности можно определить приложенное напряжение Uex.
Датчик давления на эффекте фотоупругости. Под действием давления в фотоупругих материалах возникает двойное лучепреломление. Структура датчика, в котором используется это явление, представлена на рис.61.
Давление Поляризатор Анализазатор
V
ч-
Фотоупругий элемент
Зеркало Многомодовое волокно
Pi
ФД
д) Pi - P2
Pi + P2
ФД
Рис. 61. Датчик давления на основе эффекта фотоупругости
Давление на фотоупругий элемент приводит к тому, что входящий в него линейно-поляризованный свет на выходе имеет уже круговую поляризацию. Следовательно, световая мощность, измеряемая с помощью фотодетектора, выражается как
Р = Р0
1 + sin п
T
(122)
где Т- измеряемое давление, Тп - полуволновое давление.
Эффект фотоупругости присущ всем материалам. Для некристаллических материалов, обладающих высокой фотоупругостью, полуволновое
X
давление Тп= • (123)
Параметр С называется постоянной фотоупругости и определяется коэффициентами преломления. Для фотоупругого элемента датчика, как правило, выбирается материал без естественного двойного лучепреломления, без остаточного напряжения давления и с хорошей температурной
105
характеристикой. При использовании волокна с центральной длиной волны 0,82 мкм и фотоупругого элемента из пирекс-стекла с оптической длиной пути L=0,6 см получается Тп=2,1 • 10 Па. Диапазон измерений 103...106 Па. Теоретический минимальный уровень измеряемого давления 1,4 Па.
ЛЕКЦИЯ 14
14.1. Датчики на основе сдвига частоты света
С помощью датчиков на основе сдвига частоты света определяется изменение частоты света, обусловленное объектом измерения. Измерение производится высокоточными методами светового гетеродинирования (интерферируют две световые волны разной частоты, а сигнал разностной частоты детектируется) и спектрального анализа. Типичным образцом датчика на основе сдвига частоты света может служить лазерный доплеровский волоконно-оптический измеритель скорости.
Принцип действия и основная схема. При освещении движущегося тела лучом лазера рассеиваемый телом свет приобретает сдвиг по частоте (эффект Доплера). Частотный сдвиг выражается следующей формулой:
