Амплитудные волоконно-оптические датчики

Амплитудные волоконно-оптические датчики

Всё о ВОД с модуляцией интенсивности: для чего нужны, где используются, принцип действия

Введение

Принцип действия обобщенного волоконно-оптического датчика состоит в следующем.
1. Оптическое излучение от источника проходит через передающий оптический канал на чувствительный элемент (ЧЭ), находящийся под воздействием измеряемой величины.
2. В результате физического воздействия оптические свойства ЧЭ изменяются, что в свою очередь приводит к изменению параметров оптического излучения.
3. Далее преобразованное оптическое излучение через приемный оптический канал поступает на регистрирующее устройство.


По принципу действия все волоконно-оптические датчики физических величин делятся на четыре класса в соответствии с тем, какой из параметров оптической волны распространяющейся по волокну, используется для получения информации об измеряемом физическом воздействии:
- амплитуда электрического поля Em,
- фаза φ,
- состояние или направление поляризации электрического вектора р,
- частота ω.

В этом компасе мы рассмотрим амплитудные волоконно-оптические датчики (ВОД).

Виды датчиков такого типа

Волоконно-оптические датчики данного типа делятся на два класса:
- отражательные
- проходные

С точки зрения функциональных особенностей разработаны датчики с оптическим преобразователем на конце волокна и датчики, в которых оптическое волокно используется только в качестве зонда, подводящего и отводящего оптическое излучение от исследуемого объекта.

Они могут быть использованы как датчики:
- перемещений
- давления
- акустических колебаний
- температуры
- вибраций (виброметры)
- ускорения (акселерометры)

Далее поговорим подробней о каждом классе подробней.

Амплитудные ВОД отражательного типа

Примером этого типа являются датчики температуры с закрепленной на торце волокна пленкой полупроводникового материала с зеркалом, поглощение света в которой изменяется от температуры; датчики давления, перемещения, температуры на основе закрепленной на торце волокна мембраны.

Состоит из:
– источника оптического излучения;
– фотоприемника;
– волоконно-оптического разветвителя;
– зеркал (опорного канала и измерительного);
– отрезка оптического волокна;
– преобразователя отражательного типа;
– полосового электронного фильтра;
– измерителя отражения сигналов.

Принцип действия
Волоконно-оптический датчик имеет два волоконно-оптических канала разной длины. На торце волокна опорного канала размещается глухое зеркало, на конце измерительного канала – чувствительный элемент или преобразователь.

При модуляции излучения, например, последовательностью прямо-угольных импульсов и в случае отсутствия сигнала с чувствительного элемента (отсутствие внешнего воздействия) на фотоприемнике регистрируется та же самая последовательность импульсов с некоторым затуханием. В случае появления сигнала с преобразователя характер сигнала на фотоприемнике меняется, между контрольными импульсами появляются сигнальные. Это происходит вследствие различных длин волокон в каналах, обеспечивающих временной сдвиг.

Путем обработки и сравнения спектров полученных сигналов вычисляется величина внешнего воздействия.
В данной оптической схеме могут применяться различные чувствительные элементы или преобразователи.

Большой класс датчиков основан на измерении расстояний от торца выходного волокна до зеркала, которое движется под действием внешних воздействий, например, давления, температуры и т.д. Таким образом, осуществляется преобразование измеряемой величины в перемещение.

На этом принципе предложено большое число вариантов датчиков перемещений, давления акустических колебаний, температуры.

Амплитудные ВОД проходного типа

В ВОД проходного типа для модуляции амплитуды световой волны могут быть использованы как внешние чувствительные элементы (преобразователи), располагающиеся в разрывах волоконно-оптического тракта, так и сами отрезки оптического волокна, в которых модуляция происходит за счет изменяющихся условий распространения света в волокне.

В качестве внешних чувствительных элементов наиболее часто используются мембраны и другие упругие элементы, на которых устанавливаются штоки или решетки, перекрывающие световые потоки. В основе всех этих ВОД лежит механический принцип смещения того или иного оптического элемента (решетки, шторки, зеркала, торца волокна) в результате внешних воздействий.

На этом принципе созданы ВОД для измерения давления, акустических колебаний, вибраций и ускорения.

Недостатки амплитудных ВОД

Амплитудным ВОД физических величин присущ общий недостаток, заключающийся в слабой устойчивости измерительной информации к дестабилизирующим воздействиям. Колебания интенсивности излучения, вызванные изменениями мощности излучателя, чувствительности фотоприемника или потерь подводящих световодов, воспринимаются как полезный сигнал. Так, например, изменение температуры окружающей среды приводит к изменению характеристик практически всех элементов ВОД.

Изменяется эффективность полупроводниковых источников излучения (даже при температурной компенсации, основанной на оптической об-ратной связи, нестабильность составляет примерно 0,15 %/10 К, что в диапазоне температур минус 60…плюс 85°С приводит к 2…3% дополнительной погрешности); квантовая эффективность фотоприемников для р – i – n-диодов и лавинных фотодиодов примерно (1…3)%; оптические потери в пассивных элементах ВОД: соединительных световодах, разъемах, ответвителях (до 10%).

Существенно влияют на характеристики элементов ВОД механические воздействия, вызванные вибрациями, ударами, колебаниями давления и т.д. Так механические напряжения в кристаллах и элементах конструкций полупроводниковых излучателей приводят к нестабильности мощности излучения примерно 0,8…5%.

Возникающие изгибы и микроизгибы световодов приводят к изменению потерь в них 1…10%.

К дополнительным погрешностям измерений амплитудных ВОД приводят колебания модового состава излучения (при использовании мно-гомодовых световодов), вызванные воздействием на элементы ВОД (влаж-ность и запыленность окружающей среды, радиационное воздействие).

Поэтому для улучшения характеристик амплитудные ВОД строят по дифференциальным схемам. Однако даже такие меры не позволяют получить погрешность измерений менее 0,1% и динамический диапазон порядка 10^4.

К достоинству амплитудных ВОД можно отнести миниатюрность чувствительного элемента и удобство преобразования измеряемых воздействий.