|
| |
|
Слаботочка Книги    Рис. 7.18. Волоконно-оптические датчики с амплитудной модуляцией: а - датчик уровня или типа жидкости; б - датчик усилия Рис. 7.17. Датчики с волокоиио-опти-ческими связями, использующие различные чувствительные элементы (ЧЭ): а - сосуд с жидкостью; б - полупровод-- ииковый кристалл; в - шторку; г - мембрану (7 - излучатель; 2 - фотоприемвик; 3 - волоконный световод) Франца), температуры или анизотропного сжатия. В обоих датчиках излучатель должен работать на определенной длине волны. Наиболее простым является датчик с механической шторкой, лерекрывающей большую или меньшую часть светового потока (рис. 7.17,е). При тщательном выполнении механической части, использовании не одиночных волокон, а жгутов в таких приборах удается достигнуть удовлетворительной чувствительности, линейности, воспроизводимости измерений при широком диапазоне изменения контролируемого воздействия. Наиболее широко распространенными являются датчики с ЧЭ мембранного типа (рис. 7.17,г), в которых такие внешние воздей- • ствия, как давление, ускорение, вибрация, микроперемещения, преобразуются в изменение положения мембраны относительно торцов подводящего и отводящего световодов и тем самым в изменение сигнала фотоприемника. Достоинства датчиков данной конструкции повторяют присущие волоконно-оптическим линиям связи (см. гл. 9); из наиболее существенных укажем помехоустойчивость, малые потери, широкополосность, работа с оптическим сигналом без преобразования, отсутствие электрических цепей, взрывобезо-пасность. Волоконно-оптические датчики (ВОД). Устройства, в которых чувствительным элементом является часть волокна, произвели подлинный переворот в развитии оптоэлектронных датчиков. Волоконно-оптические датчики с амплитудной модуляцией обычно основаны на управляемом нарушении условия ПВО в месте резкого изгиба волокна (рис. 7Л8,а) или на некоторой длине волокна, подвергнутого деформации (рис. 7.18,6). При этом часть светового потока выходит из сердцевины в оболочку волокна, а из оболочки возвращается в сердцевину или рассеивается в окружающем пространстве (механизм процесса распространения излучения в двухслойных и градиентных волокнах рассмотрен в гл. 9). Модуляция светопропускания осуществляется вследствие изменения степени деформированности волокна или путем помещения изогнутой обла--сти в среды с различными показателями преломления. По данной схе.ме реализуются датчики давления, температуры, вибрации,, микроперемещений, рефрактомеры. Важной разновидностью ВОД с амплитудной модуляцией являются такие, в которых используются светогенерационные эффекты в световодах. Известно, например, что светопропускание кварцпо-лимерных световодов резко меняется в диапазоне -10...-40° С, а в изогнутом виде - и при 7>-0"С. Следовательно, ВОЛС с таким световодом может использоваться как датчик температуры. В других специальных видах волокон (например, на основе флюо-ридных и халькогенидных стекол) свечение сердцевины, регистри--руемое фотоприемником, возникает под действием ИК-излучения; или бомбардировки ядерными частицами (нейтронами, гамма-квантами и др.). Волоконно-оптические линии связи на основе таких световодов могут быть использованы и как датчики температуры (выбор различных волокон позволяет перекрыть диапазон измерений 100... 1000 К), и как индикаторы проникающей радиации. Наконец, нельзя не упомянуть и простейший ВОД одноразового действия - волокно в тонкой защитной оболочке, вплетенное-в проволочные, капроновые и другие сети и изгороди, при обрыве дает сигнал тревоги. Волоконно-оптические датчики с фазовой модуляцией, или интерференционные ВОД, основаны на регистрации изменения фазы оптической волны, возникающего вследствие изгленения свойств-световода при различных внешних воздействиях. Типичная структура такого ВОД представляет собой интерферометр Маха -Цандера (см. § 7.2), в котором осуществляется сравнение двух световых потоков, полученных расщеплением первичного излучения и; прошедших различные оптические пути. На часть волокна в изме-рите,11ьном плече интерферометра (активная область) действует ВВФ, второе - опорное плечо - выполняет функцию элемента сравнения. На фотоприемник воздействует сигнал, возникающий вследствие интерференции потоков излучения в обоих плечах; используются гомодинный и гетеродинный способы регистрации (повтором случае в схему прибора вводится ячейка Брэгга, обеспечивающая сдвиг частоты одного из потоков). Полная вариация фазы под влиянием ВВФ связана с изменением длины активной области световода L и постоянной распространения волны V: Аф2=-Дф£. + Аф1/ + Афп1 = 1/А1 + 1Д1/ + Аф„, (7.15) причем AV согласно (9.7) зависит от изменений показателя преломления п и диаметра сердечника dc: ДI/ = А « (а У/дп) + Adc{d V/d d). (7.16) Вк.ходной сигнал интерферометра связан с вариацией фазы простым соотношением /ф~со5Аф. (7.17) Техника интерферометрических измерений позволяет регистрировать значения Афч.= 10 ... 10~ рад; порог чувствительности определяется фазовым шумом, представленным в (7.15) последним членом Афш. Основные составляющие Афш связаны с неконтролируемым уходом частоты лазера, паразитной модуляцией поляризации в измерительном плече, температурными изменениями длины волокна в опорном плече, неидеальностью фазовой характеристики световодов. Механические и температурные воздействия вызывают главным образом изменения AL и An, электрические и магнитные поля - Ал. Интерференционные ВОД удобны для контроля колебательных процессов, наиболее распространенное их применение - гидрофон - детектор подводного акустического поля. Чувствительность волоконно-оптических гидрофонов намного выше, чем у их пьезоэлектрических аналогов, что позволяет регистрировать шум мирового океана. Контроль медленно меняющихся физических величин (например, температуры) обычно затруднен неконтролируемым дрейфом параметров оптической и электронной систем и требует применения сложных компенсационных устройств. Принцип автокомпенсации используется в датчике с межмодо-вой интерференцией, в котором по одному оптическому световоду распространяются две или несколько мод и набег фазы возникает вследствие некоторого различия влияния ВВФ на распространение каждой из этих мод. Такие ВОД отличаются от интерферометра Маха - Цандера, в котором одна мода распространяется по двум одномодовым волокнам, не только автокомпенсацией, но и более Рис. 7.19. Упрощенная схема воло- простой конструкцией; однако конно-оптического гироскопа: здесь возникают проблемы зату- 7 -лазер: г - фотоприемник; S - полу- хаНИЯ И ИСКаЖСНИЯ ВОЛН В МНОГО- лрозрачное зеркало; 4 - волоконно-оптнче- „.ч ский чувствительный элемент МОДОВОМ БОЛОКНС, & ТаКЖе ПОЛНОЙ  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 |