Лекция 22

Волоконно-оптические датчики (часть 1)

Волоконно-оптические датчики по характеру использования оптического волокна, делятся на два типа: 1) датчики, в которых волокно служит только для передачи сигналов; 2) датчики, в которых волокно является собственно чувствительным элементом. Рассмотрим волоконно-оптические датчики первого типа. Они чувствительны к температуре, давлению, вибрации, электрическому и магнитному полю, скорости, составу газа, уровню жидкости и т. д.

22.1. Волоконно-оптические датчики с волокном в качестве линии передачи

В олоконно-оптические датчики, в которых оптическое волокно служит линией для распространения света, можно разделить на датчики с оптическим преобразователем и датчики с оптическим зондом.

Датчики с оптическим преобразователем (рис. 22.1, а) представляют собой систему, содержащую какой-либо оптический материал или чувствительный к механическому воздействию оптический элемент, преобразующий изменение параметров внешней среды в изменение параметров светового луча. Преобразователь помещен между торцами передающего и приемного оптического волокна. Применяются главным образом многомодовые волокна и пучки волокон. В качестве источника света здесь чаще всего используются светодиоды с малыми шумами, а в качестве детектора света - p-i-n-фотодиоды, обладающие термостабильными характеристиками. Датчики этой системы обычно просты по конструкции и, как правило, высоконадежны.

Схема датчика с зондом из оптического волокна приведена на рис. 22.1, б. Здесь световая информация, излучаемая, отраженная или рассеянная объектом измерения, выделяется с помощью сенсорной головки, состоящей из соответствующего объектива и оптического волокна, и поступает в световой детектор. Используются разнообразные оптические волокна (одномодовые, многомодовые), а также волоконные пучки. В качестве источника света в зависимости от типа датчика применяется лазер или светодиод. Волоконно-оптические датчики этого типа отличаются высокой чувствительностью и обычно применяются в области бесконтактных измерений.

Измеряемым объектом может модулироваться интенсивность света, его поляризация, частота, фаза и любой из этих видов модуляции может применяться в волоконно-оптическом датчике.

22.2. Физические эффекты, применяющиеся в волоконно-оптических датчиках Эффекты, связанные с модуляцией интенсивности.

1. Поглощение света. Характеристики поглощения света веществом зависят от свойств и размеров измеряемого объекта, и для датчика можно использовать их изменение, например: температурную зависимость граничной длины световой волны спектра поглощения у полупроводников (датчик температуры); эффект Франца - Келдыша (датчик электрического поля), эффект пьезопоглощения (датчик давления), изменение спектра молекулярного поглощения (газовый датчик) и т. д.

2. Отражение. В датчиках используется изменение интенсивности света, отраженного от диафрагмы (датчик давления), жидкого кристалла (датчик давления, температуры), жидкости (датчик уровня жидкости, датчик жидкости) и т. д.

3. Люминесценция. Здесь используются явления, при которых происходит светоизлучение в результате приема различных корпускулярных лучей, химического или физического воздействия. Это, например, такие явления, как термолюминесценция (датчик температуры излучения черного тела), электролюминесценция (датчик электрического напряжения), радиоактивная люминесценция (радиационный датчик) и т. д.

4. Другие эффекты. Кроме перечисленных явлений используются дифракция света (датчики чистоты обработки поверхности), испускание веществом обыкновенного луча (температурный датчик) и т. д.