|
| |
|
Слаботочка Книги Возможна модуляция оптической волны по пяти ее основным характеристикам: амплитуде (интенсивности), фазе, поляризации, частоте, виду спектрального распределения; практическое распространение получили лишь первые три. Соответственно по используемому виду модуляции выделяют амплитудные, фазовые (интерференционные) и поляризационные датчики. По конструктивным признакам среди оптоэлектронных датчиков можно выделить четыре основные группы. Оптопары с открытым оптическим каналом: в этом канале размещается промежуточный элемент (или контролируемая среда), модулирующий излучение. Интегрально-оптические датчики, использующие в качестве ЧЭ планарный светопровод, изготовленный методами интегральной оптики. Датчики с волоконно-оптическими связями, в которых передача оптической энергии к ЧЭ (или ПЭ) и от него осуществляется по оптическим волокнам. Волоконно-оптические датчики, в которых само волокно представляет собой ЧЭ. Среди приборов четвертой группы могут быть выделены распределенные и точечные датчики: модуляция излучения осуществляется либо на протяженном отрезке световода, либо в локальной области (;<точке»). Приведем еще несколько возможных, но не рассматриваемых далее вариантов оптоэлектронных датчиков. Чувствительным элементом в оптопаре может быть излучатель (использование, например, изменения мощности излучения при давлении на GaAlAs-структуру) или фотоприемник (например, фотомагнитодиод); в этом случае оптическая связь служит для удобства считывания информации или для оптимизации измерительного режима и к физическим основам работы датчика отношения не имеет. Датчиками оптических сигналов и оптических полей являются уже рассмотренные дискретные и многоэлементные фотоприемники (см. гл. 6). Оптопары с открытым оптическим каналом (рис. 7.15). Эти датчики удобны для контроля числа и положения объектов, а также состояния их поверхности, считывания дискретной информации с перфоносителей, измерения скорости вращения, фиксации наличия жидкости и т. п. Из-за сложности различения двух близких положений ПЭ оптопары с открытым каналом используются главным образом в качестве предельных переключателей (счетчиков ситуаций «есть - нет»). Конструктвно наиболее удобны отражательные оптопары - одностороннее расположение относительно контролируемого объекта позволяет встраивать их практически в любое существующее оборудование. Чувствительность, помехозащищенность, устойчивость к фоновой засветке возрастают при создании растра - периодически чередующихся темных и светлых промежутков - на поверхности промежуточного элемента. Это позволяет преобразовывать механические переме- 
aj ВВФ к-5- Рис. 7.15. Оптопары с открытым оптическим каналом щелевого типа (а) и отражательная (б) Рнс. 7.16. Интегрально-оптические датчики: а - с промежуточной средой (Г1С); б - с переменной геометрией промежуточного элемента (Г1Э) (/ - излучатель; 2 - светопровод; 3 - фотоприемник) щения в частоту выходного сигнала. Дополнительные возможности растровая отражательная оптопара приобретает при введении в ее конструкцию еще одного сим.метричного с первым фотоприемника и использовании принципа дифференциального считывания информации. Оптопары с открытым оптическим каналом успешно используются и для анализа газовой «ли жидкой среды. Обычно целью такого анализа является не выяснение состава (он известен априори), а определение процентного содержания той или иной примеси. Принцип действия оптоэлектронного газоанализатора (используем это неточное, но краткое наименование) основан на избирательности спектральной характеристики поглощения излучения молекулами примеси. В приборе используются два излучателя - измерительный с длиной волны ?1изм, соответствующсй максимуму поглощения, и опорный с длиной волны 7.0II в «прозрачной» части спектра. Сопоставление сигналов фотоприемника от этих двух излучателей при известных длине оптического пути лучей света и коэффициенте поглощения позволяет определить содержание данной примеси в жидкости или газе. Наиболее широкое распространение получили оптоэлектронные влагомеры, работающие на данном принципе; при высоком содержании влаги используется слабый пик поглощения (Яизм=1,42 мкм или ?1изм = 0,95 мкм, ?оп=1>62 или >i.on=l,06 мкм), а при низком - сильный пик поглощения (Хпзм= = 1,94 мкм и.?оп=1,75 мкм). Эти приборы успешно зарекомендовали себя при контроле влажности зерна, тканей, хлопка, пищевых заготовок и т. п. Тот же принцип использован для контроля содержания воды, сероводорода, солей в нефти,, содержания кислорода в крови. На амплитудной модуляции поглощения и рассеяния света основан принцип действия лазерных анализаторов дыма и пыли в атмосфере. Интегрально-оптические датчики. В этих приборах в качестве чувствительного элемента используют плоский однослойный светопровод, изготавливаемый методами интегральной оптики на диэлектрической подложке. С одного конца к светопроводу подсоединяется излучатель (лазер, светодиод), с другого - фотоприемник (обычно p-i-n-фотодиод). Ввод-вывод излучения осуществляется принятыми для интегрально-оптическ! X устройств методами: с помощью призм, дифракционных решеток, волоконных свзтоводов, вмонтированных в торцы светопровода; возможны и полностью интегрированные структуры. В основе принципа действия таких датчиков лежит нарушение условия полного внутреннего отражения (ПВО) для световых лучей, распространяющихся вдоль светопровода, и, как следствие, - изменение сигнала фотопрпемника. Используются два основных механизма нарушения ПВО. Во-первых, это размещение промежуточной среды поверх светопровода и изменение ее показателя преломленпя под влиянием ВВФ и действия электро-, магнитооптических и других эффектов (рис. 7Л6,а). Как частный случай в качестве промежуточной среды может использоваться сам анализируемый материал. По такой схеме работают, например, индикаторы вида жидкости. Другой механизм регулируемого нарушения ПВО основан на изменении площади оптического контакта промежуточного элемента со светопроводом под влиянием ВВФ (рис. 7.16,6). На таком принципе основаны датчики давления, усилия, перемещения. Иногда воздействующий фактор сам выполняет функцию промежуточного элемента с переменной геометрией; таковы датчики инея и росы, обледенения, сенсорные (тактильные) переключатели. На подобных принципах могут работать и датчики, использующие в качестве ЧЭ объемные светопроводящие пластинки (кварцевые, стеклянные и др.), однако, поскольку чувствительность растет обратно пропорцко..ально толщине светопровода, реальные перспективы имеют лишь датчики с интегрально-оптическим ЧЭ. Датчики с волсконно-оптическими связями. В датчиках с ВОЛС содержатся самые разнообразные ЧЭ, располагаемые в месте разрыва обычной ВОЛС, изменяющие свои свойства под влиянием ВВФ и воздействующие на светопередачу ВОЛС. В сосуде с зеркальными стенками (рис. 7.17,а) благодаря многопроходностп обеспечивается большая длина оптического пути в среде (газе, жнл-кости), заполняющей этот сосуд. Это позволяет выявлять слабые линии поглощения и по ним идентифицировать малые количества примесей. В другой конструкции (рис. 7.17,6) используется сдвиг края полосы фундаментального поглощения в полупроводнике npir воздействии на него электромагнитных полей (эффект Келдыша - 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 [80] 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 |
||||||||||