Оптоэлектронные датчики - Козлов В.Л.
Скачать (прямая ссылка):
fo = -, (124)
2п
где k0 и ks -волновые векторы падающего и рассеянного света; V -вектор
скорости движущегося тела.
Датчик, в котором используется эффект Доплера, а для зонда с лазерным излучателем и для зонда детектора рассеянного света применяется оптическое волокно, называется лазерным доплеровским волоконнооптическим измерителем скорости. В зависимости от структуры оптической системы такие датчики можно разделить на два вида: с опорным светом и дифференциальные (рис.62) [17].
В лазерном доплеровском измерителе с опорным светом лазерный луч освещает измеряемый объект через волоконно-оптический зонд. Этим же зондом принимается свет обратного рассеяния. Частотный сдвиг света в результате эффекта Доплера:
fo = ^ cos е, (125)
А
где А-длина волны лазера; е-угол между лазерным лучом и вектором скорости объекта.
Измеряемый сигнал, имеющий частоту Доплера, получается путем гетеродинного обнаружения световым детектором лучей рассеяния и
106
опорного света, пришедшего в детектор в результате френелевского отражения от торца зонда.
В лазерном доплеровском измерителе скорости дифференциального типа измеряемый объект освещается посредством волоконно-оптических зондов 1 и 2 (рис.62), а рассеянный свет, получивший в результате взаимодействия с объектом положительный и отрицательный, но равный сдвиг частоты, принимается волоконно-оптическим зондом 3. В детекторе путем гетеродинирования этих световых лучей получается доплеров-ский сигнал измерителя. Частота биений, возникающая в результате гетеродинного обнаружения,
fb = sin 5, (126)
Jb X 2 V '
где 5-угол между двумя лазерными лучами. После измерения fb можно по формуле (3.3) определить скорость и.
Как видно из формул (125) и (126), сдвиг частоты зависит от угла освещения (0,5) измеряемого объекта лучом лазера, а, следовательно, тре-
107
буется точная настройка оптической системы. Необходимо также учитывать, что в данных измерителях скорости используется явление рассеяния лазерного светового луча измеряемым объектом, поэтому чувствительность обнаружения твердого тела зависит от его цвета, степени глянца, чистоты обработки поверхности, температуры и других факторов, а сыпучего тела - от размеров зерен, их формы, цвета и т. д.
Влияние степени когерентности источника света на чувствительность обнаружения. Лазерные доплеровские измерители, по сути, являются интерферометрами, поэтому их чувствительность обнаружения в большой мере зависит от степени когерентности лазерного источника света. Спектр мощности <ib> сигнала биений, получаемого световым детектором при использовании лазера с одномодовыми продольными колебаниями и шириной спектральной линии Av, выражается как
(h) ~ exP(-2nAv|xdI), (127)
где Td - временной интервал (задержка) между двумя лучами, проходящими от источника света к световому детектору (например, в лазерном доплеровском измерителе скорости это опорный и сигнальный лучи интерферометра).
Измеритель скорости артериального потока крови. Такие особенности волоконно-оптического лазерного доплеровского измерителя скорости, как мизерный диаметр волокна и отсутствие электрического воздействия на организм, позволили разработать на его основе установку для измерения скорости артериального потока крови (рис. 63) [17].
Рис.63. Установка для измерения скорости потока крови на основе лазерного доплеровского измерителя скорости
108
В оптической системе формируется сигнальный луч рассеянного красными тельцами света. Посредством ультразвуковой модуляции света формируется опорный луч, сдвинутый по частоте относительно лазерного на fB, что позволяет не только измерять скорость, но и определять направление потока крови. При этом частота биений fb (сигнал биений, обнаруживаемый методом гетеродинирования с помощью лавинного фото-
2п
диода) определяется как fb = fB +—cos 0 (i28)
X
Диапазон измерения скорости потока крови данной установкой от 4 см/с до i0 м/с с точностью ±5%, пространственное разрешение i00 мкм. Проводились измерения потоков крови в артериях бедра собаки. Кроме того, разработан лазерный доплеровский измеритель скорости с мощным аргоновым лазером в качестве источника света (мощность излучения 2 Вт, X=5i4,5 нм), позволяющий измерять скорость очень слабых газовых потоков. Разработаны также малогабаритные, легкие, долговечные и дешевые полупроводниковые лазеры, поэтому в ближайшем будущем можно ожидать более широкого применения лазерных допле-ровских волоконно-оптических измерителей скорости.
14.2. Области применения ВОД с оптическим волокном в качестве линии передачи
Энергетика. Преимущество использования волоконно-оптических датчиков в энергетике обеспечивается их высокими электро- и теплоизоляционными характеристиками, безынерционностью, малыми габаритами, массой и т. д. На основе таких датчиков, а именно лучеводов изображения, созданы системы наблюдения внутри топок тепловых электростанций, устройства для измерения температуры проводов линий передачи и внутри трансформаторов, для контроля за количеством масла в маслонаполненном кабеле, измерители скорости ветра и определители его направления в системах наблюдения за атмосферными явлениями, оптические трансформаторы напряжения, работающие на эффекте Пок-кельса, и оптические трансформаторы тока, работающие на эффекте Фарадея.
