Типы волоконно-оптических датчиков и принцип их работы.
Прежде чем переходить к рассмотрению волоконно-оптических датчиков, рассмотрим функционирование оптического волокна. Современное оптическое волокно состоит из сердцевины, по которой распространяется свет, и оболочки. Снаружи она закрыта полимерной пленкой. Сердцевина представляет собой нить из пластика или стекла с определенными добавками (как правило, германий) для повышения коэффициента преломления. Коэффициент преломления сердцевины n1 примерно на 0,01…0,02 превышает коэффициент преломления оболочки n2. Благодаря этому луч света, направленный в сердцевину, распространяется по ней, многократно отражаясь от границы раздела «сердцевина-оболочка».
Важнейшей характеристикой оптоволокна является числовая апертура NA — максимально возможный угол, с каким свет, введенный в волокно, может распространяться в нем. Числовая апертура определяется коэффициентами преломлений сердечника и оболочки и выражается как:
,
где Δ = (n1/n2) – 1.
Если угол ввода луча света в сердечник меньше NA, то он испытывает полное внутреннее отражение и распространяется только в нем (луч 1 на рис. 1). При нарушении этого условия часть вводимого излучения преломляется и уходит в оболочку, а часть — отражается внутрь сердечника (луч 2).
Рис. 1. Распространение света в волоконном световоде
С числовой апертурой связана нормированная частота. Она определяет, сколько мод (упрощенно — оптических лучей под разными углами) может распространяться в данном волокне. Нормированная частота F вычисляется по следующей формуле:
|
|
|
F = (2π/λ).а.NA,
где а — диаметр сердечника; λ — длина световой волны. Для оптических волокон существует граничное значение Fc. Для рассмотренного оптического волокна со ступенчатым изменением показателя преломления Fc = 2,045. Если рассчитанное значение F превышает эту величину, то распространяется множество мод и волокно называется многомодовым. В противном случае распространяется одна мода и волокно является одномодовым. Многомодовые оптические волокна технологичны, легко соединяются с источниками и детекторами излучения, а также с другими волокнами. Недостаток многомодового волокна — нарушение когерентности источника, поэтому оно может быть использовано для передачи информации только об интенсивности оптического сигнала.
В одномодовых волокнах может использоваться поляризация и фаза когерентного источника, например, полупроводникового лазера, и на его основе возможно построение датчиков с волокном в качестве чувствительного элемента. Основной недостаток одномодового волокна — высокая чувствительность к внешним механическим воздействиям и относительная сложность сопряжения с другими оптическими компонентами. Внешний диаметр многомодовых и одномодовых волокон одинаков и равен 125 мкм. Диаметр сердцевины у многомодового волокна — 50 мкм при Δ ≈ 1%, а у одномодового — 10 мкм при Δ ≈ 0,3%. Более подробно физические основы волоконной оптики изложены в [1].
|
|
|
Волоконно-оптические датчики можно разделить на две группы: датчики с волокном в качестве линии передачи и с одномодовым волокном в качестве чувствительного элемента. Наиболее отработаны в теоретическом и технологическом отношении и постепенно осваиваются в промышленном производстве волоконно-оптические датчики первого типа. Их можно условно поделить на датчики с оптическим преобразователем и датчики с оптическим зондом.
Датчики с оптическим преобразователем представляют собой систему, которая содержит оптический элемент, чувствительный к воздействию измеряемой физической величины, излучатель и приемник. Оптический элемент (преобразователь) помещен между торцами передающего и приемного многомодового волокна. В качестве излучателя обычно используют малошумящий светодиод, а в качестве детектора света — p-i-n-фотодиод. Эти полупроводниковые элементы должны быть электро- и термостабильными.
|
|
|
В датчиках с оптическим зондом зондирующий световой луч, отраженный или рассеянный объектом измерения, поступает в приемную оптическую систему, состоящую из объектива и волокна, выходной торец которого связан с p-i-n-фотодетектором. В датчиках этого типа могут быть использованы многомодовые или одномодовые оптические кабели, а также волоконно-оптические жгуты. В качестве источника света в зависимости от вида измеряемой величины (интенсивность, поляризация, фаза) используются светодиоды или лазеры. Волоконно-оптические датчики на этом принципе отличаются высокой чувствительностью и могут быть использованы для бесконтактных измерений.
Дата добавления: 2016-01-06; просмотров: 19; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!