Оптоэлектронные датчики - Козлов В.Л.
Скачать (прямая ссылка):
Р1 * 11 +12 + Y2Vv2 cos(A(»? + Vs + Vd ) 033)
114
Фазовым детектированием этого сигнала можно получить ys + yd, что и отвечает сути метода оптического гетеродинирования.
В первом методе отмеченные три проблемы решаются усовершенствованием оптической системы, а во втором - в основном усовершенствованием электроники с целью более полного использования техники фазового детектирования. Однако акустооптический модулятор, с технической точки зрения наиболее приемлемый в настоящее время для сдвига частоты, еще не избавлен от таких недостатков, как сравнительно большая потребляемая мощность (около 2 Вт) и большая девиация частоты (примерно 100 МГц). Но в последнее время проводятся исследования по созданию частотного сдвигателя на новых принципах, а также разрабатывается метод оптического квазигетеродинирования - с выдачей выходного сигнала без применения частотного сдвигателя.
Спектрофон на интерферометре Маха-Цендера. На рис. 67 показан спектрофон, выполненный как датчик на интерферометре Маха-Цендера. Это устройство для измерения поглощения света газообразными веществами. При воздействии на газ в ячейке (в катушке) светом, интенсивность которого модулирована с помощью прерывателя, газ вследствие поглощения света нагревается и расширяется, а значит, расширяется и ячейка. Это изменение объема ячейки измеряется с помощью высокочувствительного волоконно-оптического интерферометра. На рис. 67,а показана оптическая система, а на рис. 67,б - кривая частотного изменения выходного сигнала при поглощении света смесью воздуха с метаном. Частота прерывателя 75 Гц. Длина волокна 9,2 м, диаметр катушки 2,5 см. Лазер - гелий-неоновый. В случае применения, например, аргонового лазера с излучением мощностью 500 мВт и длиной волны 496,5 нм можно измерять поглощение света газом N02 концентрацией вплоть до 50 частей на миллион.
Пн-ип Wnrrn nnwn
§ 150
Анализатор
спектра
50
Частота, Гц
100
На рис. 67. Волоконно-оптичексий спектрофон
115
Известен высокочувствительный акселерометр, на основе интерферометра Маха-Цендера, измеряющий сжатие и расширение стержня из упругого материала с намотанным на него оптическим волокном и прикрепленным грузом, испытывающим ускорение. Чувствительность подобного акселерометра 1000 рад/g и разрешающая способность примерно 1 м^, что позволяет измерять ускорения порядка 10-10g. Кроме того, создан амперметр с использованием джоулева тепла при протекании электрического тока по оптическому волокну с алюминиевым покрытием. Устройство имеет чувствительность приблизительно 5 • 10-6 А на 1 м волокна при частоте тока 10 Гц. Нанесением на оптическое волокно покрытия из электрострикционного материала можно аналогичным образом создать измеритель электрического поля.
Интерферометр Фабри - Перо. Два параллельных полупрозрачных зеркала, создают резонатор, в котором при изменении фазы излучения, кратном 2п, наступает резонанс. При частоте источника света ю диапазон фазового вращения © = 2ю//с, поэтому одну и ту же резонансную характеристику можно получить, изменяя как /, так и ю. Частотный интервал fr называется свободной областью спектра, Af - половинной шириной резонансной кривой:
fr = с /(2/), (134) f = -С- , (134)
где R - коэффициент отражения полупрозрачного зеркала по интенсивности света. Показатель качества резонатора
F = f = (136)
A/Т 1 - R V '
как видно из формулы, тоже определяется коэффициентом отражения R. Как правило, чувствительность выходного сигнала к изменению фазы входного света у интерферометра Фабри-Перо в F раз больше, чем у обычного. Если каким-либо образом удлинить резонаторы, то увеличится диапазон © и, следовательно, чувствительность структуры к колебаниям / (например, под воздействием температуры или давления). При этом значение Af уменьшится и тем самым повысится разрешающая способность по частоте. Однако удлинение резонатора затруднительно и удорожает интерферометр. С целью устранения вышеуказанных недостатков создан волоконно-оптический интерферометр Фабри-Перо с непосредственным напылением на торцы одномодового оптического волокна полупрозрачного зеркального покрытия с высоким коэффициентом отражения. На рис. 68,а представлена структура волоконно-оптического интерферометра Фабри-Перо для измерения скорости потока.
116
ас
§Г
?
I
>^5
1
I
СЗ
I
25
20
15
10
- S'
Г 1 i 201 1 400 t
О
1000 2000 3000
Число Рейнольдса
WOO
5 10 15 20
Скорость потока, м/с
Рис. 68. Измерение скорости потока на основе интерферометра Фабри-Перо
б)
Обычно помещенный в поток предмет типа шнура колеблется, причем с частотой, пропорциональной скорости потока (это объясняется попеременным возникновением вихрей по обе стороны предмета). Эту частоту можно обнаружить по выходному сигналу интерферометра. На рис. 68, б приведены результаты измерений. В представленной структуре на одном конце оптического волокна зеркало, а на другом - полупрозрачное зеркало. Таким образом, интерферометр Фабри-Перо здесь является интерферометром отражательного типа. В соответствии с этим для обнаружения колебаний можно использовать многомодовое оптическое волокно (интерференцию между модами).
