Здавалка
Главная | Обратная связь

Преобразования входной физической величины



В состав амплитудного ОЭП с граничной модуляцией оптического излучения входят источник излучения (ИИ), управляемый световод (УС), подводящие к нему излучение и отводящие излучение волоконные световоды (ВС) и фотоприемник (ФП) (рис. 4.2).

Управляемый световод представляет собой звено, в котором происходит преобразование физического воздействия Fвх в изменение параметров оптического колебания, выходящего из УС.

Подводимое к УС оптическое излучение, распространяясь в нем, претерпевает внутренние отражения от его границ. Регистрация оптического сигнала осуществляется с помощью фотоприемника. При необходимости размещения в зоне измерения толькоУС связь его с ИИ и фотоприемником осуществляется с помощьюВС.

Рис. 4.1. Классификация ОЭП с амплитудной модуляцией оптического канала

Рис. 4.2. Общая структура ОЭП
с граничной модуляцией оптического излучения

Непосредственное преобразование входной физической величины, в оптический сигнал обеспечивают следующие элементарные схемы оптической модуляции, реализуемые в управляемых световодах (табл. 4.1). Это три оптические схемы с граничной модуляцией (с переменным показателем преломления п на границе световода; с переменным зазором d между световодом n1 и внешней средой п2, определяющим возникновение оптического эффекта на границе световода; с переменной площадью оптического контакта S внешней среды со световодом) и схема с переменным поглощением и рассеянием, определяемым коэффициентом экстинкции k.

Табл. 4.1.

Амплитудные ОЭП на основе управляемых световодов

Входные и выходные физические величины и параметры Первичные изменяемые параметры
n = n1n2 = var d = var S = var k = var
Электрические (E, U, I) Электрооптический эффект Обратный пьезоэлектрический эффект Обратный пьезоэлектрический эффект Эффект Франца-Келдыша, электрохимические явления
Магнитные (H) Магнитооптический эффект Силы магнитного притяжения Силы магнитного притяжения -
Оптические (P) Индуцированное изменение n - Индуцированное изменение площади S Сдвиг полосы поглощения
Механические (F, p, l, f) Фотоупругость Давление, усилие, перемещение Давление, усилие, перемещение Введение рассеивающих элементов
Тепловые (T) Тепловое изменение n TKL TKL Сдвиг полосы поглощения
Акустические (P) Акустооптический эффект Давление Давление Индуцированное рассеивание
Промежуточные параметры Yi Rn(Fn) Rd(Fd) RS(FS) k
Выходные оптические параметры Zj DA,Dq DA,Dl, Dq DA,Dq DA, Dl

 

Входные величины Fвх(электрические – напряженность электрического поля Е, напряжение U, ток I; магнитные – напряженность магнитного поля Н; оптические – мощность оптического излучения Р; механические – усилие F, давление р,перемещение I, частота вибрации f; тепловые – температура T; акустические – давление р и т. п.) различной физической природы благодаря использованию большого разнообразия эффектов и явлений позволяют осуществлять управление первичными изменяемыми параметрами Xi, к которым относятся показатель преломления п, зазор d, площадь S и коэффициент экстинкции k, соответствующие используемой оптической схеме управляемого световода.

Так как изменение первичных параметров X, в общем случае не приводит к изменению параметров оптического излучения Zj, распространяющегося по управляемому световоду, целесообразно выделять промежуточные параметры Yj, которые непосредственно влияют на Zj. Промежуточный параметр Yj, имеет однозначное соответствие с первичным изменяемым параметром Xi при рассмотрении конкретной элементарной схемы ОЭП.

Так, в первой схеме первичный изменяемый параметр п посредством влияния на отражательную Rn, пропускательную Tn способность границы раздела световод (n1)– внешняя среда (n2) (или постоянную распространения излучения b в волноводном варианте) управляет выходными параметрами оптического излучения Zj; во второй схеме первичный параметр d приводит к изменению промежуточного параметра Rd, Td или b; в третьей схеме первичный параметр S изменяет Rs, Ts илиb; в четвертой схеме сам первичный параметр k оказывает влияние на параметры оптического излучения Zj, и поэтому можно считать, что k является промежуточным параметром Yi, для рассматриваемой схемы.

В качестве выходных параметров оптического излучения можно выделить те, которые в дальнейшем можно зарегистрировать с помощью простейшего фотоприемника. К ним относятся амплитуда сигнала А, угол распространения q и спектральная характеристика излучения Рl.

Следует отметить, что в этих схемах модуляции можно получить выходной оптический сигнал с различными переменными параметрами.

При выборе конкретной схемы построения ОЭП необходимо производить оценку получаемого коэффициента чувствительности оптической системы к входной физической величине , который определяется через промежуточные коэффициенты :

 

Для построения ВОД могут быть использованы не только рассмотренные элементарные схемы модуляции, но и их комбинации. Комбинации схем модуляции целесообразно использовать в случае необходимости повышения коэффициента чувствительности к входной физической величине Fвхили для уменьшения чувствительности к паразитному воздействию.

Наличие нескольких выходных параметров оптического излучения, поддающихся измерению, позволяет одновременно производить в комбинированной схеме измерение различных физических величин.

4.3. Амплитудные преобразователи физических величин
на основе нерегулярных световодов

Любой ОЭП можно рассматривать как совокупность элементарных преобразователей, осуществляющих последовательное преобразование измеряемой ФВ. При этом функция преобразования представляет собой произведение функций преобразования отдельных элементарных преобразователей.

Например, к группе преобразователей физических величин, сводимых к перемещению, относятся устройства, для которых на рис. 4.3 представлена схема основных преобразований. В ПП этой группы перемещение с помощью световодов с нерегулярными участками, возбужденных источниками излучения (оптико-механический элементарный преобразователь), и элементарных оптоэлектронных преобразователей (фотодиоды и т. п.) преобразуется в электрический сигнал. Наличие последних двух элементарных преобразований характерно для всех типов световодных ОЭП.

Как следует из рис. 4.3, в ОЭП перемещение непосредственно либо посредством деформации световода преобразуется в изменение его степени нерегулярности, что влечет за собой изменение интенсивности излучения у выходного торца.

В настоящее время, кроме ставшего традиционным применения световодов в системах связи и передачи информации (ССПИ), все большее распространение получает их использование в измерительной технике, в частности в первичных измерительных преобразователях (ОЭП) различных физических величин (ФВ).

Разработки амплитудных ОЭП на основе цилиндрических волоконных (ВСВ) и планарных (плоских) световодов (в этих ОЭП измеряемая ФВ вызывает изменение интенсивности оптического излучения) уже достигли промышленного уровня. Рассмотрим принципы построения таких ОЭП.

Рис. 4.3. Структура преобразований в ОЭП перемещения

Принцип действия амплитудных световодных ОЭП основан на зависимости характеристик нерегулярных участков световодов от измеряемой величины.

Регулярными принято считать прямолинейные световодные структуры, поперечное сечение и оптические свойства которых неизменны по всей длине. Невыполнение любого из указанных условий приводит к появлению нерегулярностей, таких как стык-разрыв, изгиб, микроизгибы, скрутка, изменения поперечного сечения или показателя преломления (ПП) вдоль оси, расположение на малом расстоянии от световода объектов, поглощающих энергию частично или полностью (связанные световоды).

Заметим, что нерегулярности в световодах, используемых в ССПИ, нежелательны, так как они вызывают уменьшение дальности связи и искажение сигналов.

Хотя большинство нерегулярностей достаточно подробно изучено при исследовании ССПИ, однако чаще всего влияние нерегулярностей не рассматривается с точки зрения их применения в ОЭП. Кроме этого, публикации по нерегулярностям весьма разрозненны, что затрудняет проектирование устройств на основе элементов волоконной оптики и их оптимизацию.

В настоящем работе обобщение и систематизация световодных ОЭП проводятся с точки зрения использования в них основных видов нерегулярностей и их проявлений.







©2015 arhivinfo.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.