Свето-излучающие диоды и их применение - Мухитдинов М.
Скачать (прямая ссылка):
Число отражений зависит от угла скоса торцов фз световода, уровня жидкости h и толщины световода d:
N — h/2d tg ф2.
Одним из недостатков уровнемера является нелинейная зависимость фототока от уровня жидкости. Для линеаризации характеристики уровнемера на рабочую поверхность световода наносят отражающую маску, кривизна границы которой определяется по формуле [11]
(rn°—c)(1—rn')
f (h) -
+
rn° ' (i—я"»)
где b — ширина световода; С — коэффициент, равный Фпип/Ф; N0, N — число отражений от всей длины L световода и от границы раздела световод — воздух соответственно:
_ L _ _ L — h
0 2 d tg ф2 2 d tg ф2
На рис. 2 11,6 приведена зависимость фототока от уровня жидкости.
Реализовать уровнемер жидкости можно также на волоконно-оптическом световоде, имеющем изгиб [29]. Радиус изгиба определяется из соотношения
«о+1 . „ . «с + «о
-------- r<R< ---------- р,
п о — 2 пс — По
где п0 — показатель преломления материала оболочки волокна; пс — показатель преломления материала сердцевины волокна; г — внешний радиус оболочки волокна; р —¦ радиус сердцевины волокна.
Принцип действия этого уровнемера состоит в следующем. Оптическое излучение от источника поступает в волокнистый световод и распространяется по его сердцевине. Чтобы интенсивность этого излучения зависела от окружающей среды, необходимо вывести его из сердцевины в оболочку. Это достигается крутым изгибом волоконного световода по радиусу 1—2 мм. Излучение, вышедшее в оболочку в области изгиба, падает на границу раздела оболочка — окружающая среда. Если окружающей средой является воздух, то излучение отражается от границы раздела и возвращается в сердцевину. Если же изгиб погружен в жидкость, то оптическое излучение частично или полностью (в зависимости от радиуса изгиба) покидает световод. Это приводит к уменьшению интенсивности светового потока, который регистрируется фотоприемником.
28
Достоинствами волоконно-оптических уровнемеров являются высокая точность и помехозащищенность, а также широкий температурный диапазон работы и стойкость к химически активным веществам. Монохроматичность излучения СИД и хорошее согласование с фотоприемниками позволяют применять их в качестве источника света в устройствах с использованием явления дифракции. При наличии лампы накаливания в таких устройствах из-за широкого спектрального диапазона излучения дифракция на растре и хроматические аберрации оптической системы увеличивают постоянную засветку фотоприемника и уменьшают полезный сигнал [30]. Это можно объяснить тем, что часть потока лампы из-за аберраций создает лишь постоянную засветку, а в образовании полезного сигнала не участвует.
Использование СИД в таких устройствах позволяет значительно улучшить их эксплуатационные характеристики.
В других преобразователях нарушение условий полного внутреннего отражения происходит за счет изменения кривизны световода. Механическое воздействие в них вызывают либо плавное изменение кривизны, либо микроизгибы [46]. При изгибе световода нарушается условие полного внутреннего отражения для мод высшего порядка с характерным углом между направлением распространения и осью световода. Энергия, соответствующая этим модам, выходит из световода на изогнутом участке через боковую поверхность, в результате чего пропускание света уменьшается. Такие преобразователи представляют собой изогнутый световод, закрепленный между неподвижными и перемещающимися частями объекта. При перемещении объекта изменяется радиус кривизны световода, что вызывает амплитудную модуляцию излучения, прошедшего по световоду к фотоприемнику, по закону перемещения контролируемого объекта.
Основными преимуществами оптоэлектронных преобразователей на основе волоконной оптики являются возможность подведения света только к контролируемой точке и установки электронных элементов в удаленном месте, что важно при измерениях во взрыво- и пожароопасных агрессивных средах, при наличии внешних электромагнитных полей, в труднодоступных местах.
Измерительные преобразователи на волоконных световодах представляют относительно новую область измерительной техники. Многие эффекты в световодах, которые можно использовать для измерения различных физических величин, еще недостаточно изучены, в связи с чем для ряда преобразователей ие существует строгой теории [46] для оценки их параметров и возможностей улучшения метрологических характеристик. Работы в этом направлении могут привести к качественному скачку, дающему широкие возможности применения цепи СИД — световод — фотоприемник в измерительных устройствах.
В условиях промышленного контроля важное значение имеет измерение перемещений, мгновенной скорости и ускорения.
Структурная схема цифрового фотоэлектрического датчика мгновенной скорости и ускорения приведена на рис. 2.12. [64].
29
J
Рис. 2 12. Структурная схема фотоэлектрического датчика мгновенной скорости и ускорений*
J — генератор, 2 — светоизлучающий диод; 3 — кодовая лииейка; 4 — фотодиод; 5 — блок обработки фотоэлектрического сигнала; 6, 7 — блоки цифрового отсчета мгновенной скорости и ускорений соответственно
