Датчики на основе изменения интенсивности света

Эффекты, связанные с модуляцией фазы.

Эффекты, связанные с модуляцией частоты.

1. Эффект Доплера (датчики скорости, вибрации, потока). Если осветить движущийся объект лучом лазера, то частота света, рассеиваемого объектом, будет иметь сдвиг относительно частоты падающего на него света. Это явление известно как эффект Доплера.

2. Рамановское рассеяние (газовый датчик). Если осветить вещество интенсивным светом, то можно наблюдать появление дополнительных световых волн с частотой выше и ниже частоты исходного света. Это явление связано с колебаниями молекул вещества и может быть использовано для измерения концентрации газов, загрязненности атмосферы.

3. Фотолюминесценция (температурный датчик). Если освещать полупроводник светом с длиной волны более короткой, чем на краю основного спектра поглощения света, то свет поглощается и возбуждает электроны валентной зоны. Электроны рекомбинируют с дырками зоны, и излучается свет с длиной волны, зависящей от ширины запрещенной зоны. Это явление называется фотолюминесценцией. Ширина запрещенной зоны, в свою очередь, зависит от температуры, поэтому по длине волны излученного света можно измерять температуру.

Если волновые фронты двух когерентных световых лучей накладываются друг на друга, то при суммировании интенсивности лучей могут получаться различные (в зависимости от распределения фаз и интенсивности обеих световых волн) интерференционные картины. Следовательно, изучая интерференционную картину, можно измерять нужную величину. Для этой цели используются различные интерферометры.

На основе измерения интенсивности света работают температурные датчики.

Датчики на основе теплового излучения измеряют интенсивность излучения на двух длинах волн, входящих в спектр излучения объекта, и по их соотношению определяют температуру. Преимущество способа - возможность бесконтактного измерения высоких температур.

Датчик на основе поглощения света полупроводником. Полупроводник имеет граничную длину волны λ_g спектра оптического поглощения и для света с более короткой длиной волны поглощение усиливается, причем по мере роста температуры граничная длина волны λ_g отодвигается в сторону более длинных волн. По выходному сигналу детектора можно измерять температуру.

Датчик на основе флуоресценции. На торец оптического волокна светочувствительной части нанесено флуоресцентное вещество. Флуоресцентное излучение, возникающее под воздействием ультрафиолетовых лучей, проводимых оптическим волокном, принимается этим же волокном. Для спектральных составляющих флуоресцентного излучения характерна сильная зависимость от температуры на длине волны λ ₁ =510 нм и слабая зависимость при λ ₂ = 630 нм. Температурный сигнал выявляется путем вычисления отношения соответствующих значений интенсивности света на этих длинах волн (метод двух длин волн).

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.

На основе измерения интенсивности света работают датчики механических величин.

Датчик давления с отражательной диафрагмой. В этом датчике используется изменение диафрагмой условий отражения света. Волоконно-оптический жгут состоит из передающих и принимающих 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. Подобные датчики применяются для измерения давления жидких сред, например давления крови.

Датчик сдвига и колебаний с зондом из волоконного жгута. Для измерения сдвига и колебаний физических тел можно воспользоваться тем же принципом, что и в датчике давления с отражательной диафрагмой. При измерениях сдвига до 100 мкм в области рабочих температур от -75 до +150 °С 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.

Датчик давления с жидкокристаллическим зондом. В нем используется влияние давления на коэффициент рассеяния света жидким кристаллом. Можно измерять с хорошей линейной характеристикой давление до 4∙10⁴ Па. Недостаток таких датчиков - сильная зависимость выходного сигнала от температуры, поэтому необходима температурная компенсация.

Датчик звукового давления на основе осевого смещения волокон. Если соединить двв оптических волокна с незначительным зазором потери передачи будут резко увеличиваться при осевом сдвиге этих волокон. В датчике звукового давления (гидрофоне) используется зависимость потерь от осевого смещения. Если к одному из оптических волокон прикрепить груз, то из-за упругости волокна получится механическая инерционная система. При частоте звука выше собственной частоты f_r инерционной системы груз неподвижен, поэтому осевое смещение волокна равно сдвигу держателя оптического волокна. Т.к. сдвиг пропорционален звуковому давлению, то звуковое давление можно измерять по интенсивности проходящего света.

На основе измерения интенсивности света работают также датчики концентрации химических веществ.

Датчик концентрации газа. На рис. 22.2 представлена структурная схема газового датчика. Свет, излучаемый лазером или светодиодом, поступает в 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 N ₂ О ₂, NН ₃, СН ₄ и др.) и за концентрацией горючих газов (СН ₄, С ₃ Н ₈ и др.). Например, реализована система наблюдения за концентрацией газа СН ₄ на расстоянии более 20 км.

На основе измерения интенсивности света работают также оптоэлектрические переключатели.

Прерыватель (оптрон). Если световой луч проходит через какое-либо физическое тело, то возможно прерывание или отражение луча. На этих явлениях основана работа волоконно-оптических прерывателей (рис. 23.3). Разработаны различные прерыватели со скоростью реакции примерно 0,5 мс, интервалом срабатывания около 30 мкм и дистанцией срабатывания в несколько десятков миллиметров.

Волоконно-оптические прерыватели имеют простую конструкцию и при соответствующих схемах обработки сигнала, характеристиках светоизлучающих и светоприемных приборов находят весьма широкое применение, например для счета изделий, последовательного контроля, маркировки, обнаружения дефектов, для систем безопасности. Кроме того, на базе волоконно-оптических прерывателей разработаны уровнемеры для нефти и химических продуктов, дискретные измерители температуры, кодеры и другие устройства.

Кодер. Кодер, выполненный на основе волоконно-оптического прерывателя, можно эффективно использовать для устройств считывания с перфокарт и с перфоленты. Волоконно-оптический кодер, показанный на рис. 22.4, применяется, например, для цифрового кодирования линейного перемещения и угла поворота оси вращения в системах контроля роботов и станков с цифровым управлением. На этом же принципе можно создать конструкцию волоконно-оптического измерителя направления и скорости ветра.

На основе измерения интенсивности света работают датчики изображения.

Лучевод для передачи изображения. Оптические волокна, передающие изображение (лучеводы для передачи изображения) применяются для оптических измерений. Лучевод представляет собой кабель из множества оптических волокон или конструкцию из множества сердечников с общей оболочкой.

Индикатор. Устройство, включающее в себя лучевод изображения с объективами на обоих концах, а также в зависимости от цели применения - осветительное оптическое волокно, называется волоконно-оптическим индикатором. Подобные устройства удобны для исследований в медицине и для систем контроля в промышленности, особенно важно применение волоконно-оптических индикаторов в качестве датчиков изображения там, где затруднительно введение телевизионной камеры и невозможно нахождение обслуживающего персонала или роботов (например, некоторые участки, цехи и оборудование атомных электростанций, заводов металлургической и газовой промышленности).

Дата добавления: 2014-01-15