3. Структурные построения оптоэлектрических измерительных преобразователей

Обобщенная структурная схема оптоэлектрического преобразо­вателя (рис. 3.1) содержит источник излучения, оптический канал, приемник излучения и измерительную цепь. Измеряемая величина X воздействует непосредст­венно на источник излуче­ния, изменяя параметры излучаемого потока Ф₁ или на оптический канал, модулируя соответствую­щий параметр потока в процессе распространения излучения. Чаще всего под действием измеряемой величины изменя­ется интенсивность лучистого потока, например вследствие измене­ния температуры излучателя, пропускания, поглощения или рассея­ния оптического канала, однако могут изменяться также фазовый сдвиг между электромагнитными колебаниями в двух лучах, вызывае­мый разностью оптического хода этих лучей, и частота и длина волны излучения, генерируемого источником.

Рис. 3.1

Соответственно структурные схемы оптоэлектрических преобра­зователей могут быть разделены на три группы:

• схемы измерения интенсивности излучения

• схемы измерения сдвига фаз и угла пово­рота плоскости колебаний

• схемы измерения частоты и длины волны электромагнитных колебаний оптического диапазона.

В преобразователях интен­сивности излучения использу­ются три алгоритма работы:

а) измерение потока Ф_х;

б) измерение отношения потоков Ф₁/Ф₂, где в качестве одного из потоков, напри­мер Ф₂, обычно используется эталонный поток Ф_э;

в) измерение разности потоков Ф₁  Ф₂, где Ф₁ = Ф_х, Ф₂ = Ф_э.

Схемы измерения фазового сдвига на частотах оптического диа­пазона на примере светодальномера представлена на рис. 3.2, который состоит из генератора Г1 гармониче­ских колебаний, полупроводниково­го лазера Г, фотоприемника ФП и фазометра. Излучение лазера Г, мо­дулированное по амплитуде, распро­страняется до уголкового отражате­ля УО, установленного на расстоя­нии D_x от дальномера. Отраженное излучение возвращается к фотоприем­нику ФП. Время распространения волны до отражателя и обратно со­ставляет

t = 2D_xп/c.

За это время фаза напряжения, питающего лазер, изме­нится на величину

= ω₀2D_xn/c,

где ω₀ – частота модуля­ции; п – показатель преломления среды. Сдвиг фаз измеряется с помощью фазометра.

Рис. 3.2

Порог чувствительности современных промышленных высоко­частотных фазометров составляет около 0,1°, что при частоте моду­ляции ω₀ = 10 МГц и п   1 соответствует D_{x min} = 4 мм. Стабиль­ность результатов измерения определяется стабильностью частоты модуля­ции и постоянством условий на пути светового потока.

Непосредственное измерение частоты колебаний и угла сдвига между колебаниями оптического диапазона затруднено из-за отсут­ствия фотоприемников и электронных схем, быстродействие которых соответствует частотам 10¹⁴…10¹⁷ Гц. Схемы измерения частоты и фазы колебаний строятся с предварительным преобразованием в интенсивность излучения или частоты. Такие преобразования требуют наличия источника когерентных колебаний, поэтому электрооптические преобразователи получили развитие только с появлением лазеров.

На рис. 3.3 показана структурная схема преобразо­вателя с гетеродинным преобразованием частоты, который содержит источник опорного сигнала ИОС частоты v₀, светодели­тель СД, фотоприемник ФП, усилитель Ус и частотомер.

На свето­делитель поступают два пучка света: пучок света, частоту которого v_х нужно определить, и опорный пучок. Эти пучки складываются и посылаются на фотоприемник. Световой поток, поступающий на фотоприемник, кроме постоянной составляющей Ф, содержит низко­частотную составляющую

Ф(t) = Ф_т cos (v_х – v₀) t.

Если разност­ная частота v_вых = v_х – v₀ находится в полосе пропускания элек­тронной схемы, то измерение этой частоты частотомером при извест­ном значении v₀ позволяет найти v_х = v_вых + v₀.

Устройства с интерференционным преобразованием частоты стро­ятся на базе интерферометров с использованием модуляции излуче­ния по частоте.