Датчики давления и ускорения
Д
атчик
давления. Под
действием давления в фотоупругих
материалах возникает двойное
лучепреломление. Структура датчика, в
котором используется это явление,
представлена на рис. 22.7, а.
Давление на фотоупругий элемент приводит к тому, что входящий в него линейно поляризованный свет на выходе имеет уже круговую поляризацию. Световая мощность, измеряемая с помощью светового детектора, выражается как
,
где Т - измеряемое давление; Тπ - полуволновое давление.
Эффект фотоупругости присущ всем материалам. Для фотоупругого элемента датчика выбирается материал без естественного двойного лучепреломления, без остаточного напряжения давления и с хорошей температурной характеристикой.
Датчик ускорения. На рис. 22.7, б приведена структурная схема датчика ускорения, работающего по тому же принципу, что и датчик давления. Здесь также груз прикреплен непосредственно к фотоупругому элементу. При колебаниях на фотоупругий элемент действует сила, пропорциональная произведению массы груза на ускорение, что приводит к двойному лучепреломлению.
22.5. Датчики на основе сдвига частоты света
С помощью датчиков на основе сдвига частоты света определяется изменение частоты света, обусловленное объектом измерения. Измерение производится высокоточными методами светового гетеродинирования (интерферируют две световые волны разной частоты, а сигнал разностной частоты детектируется) и спектрального анализа. Типичным образцом датчика на основе сдвига частоты света может служить лазерный доплеровский волоконно-оптический измеритель скорости.
П
ри
освещении движущегося тела лучом лазера
рассеиваемый телом свет приобретает
сдвиг по частоте (эффект Доплера).
Частотный сдвиг выражается следующей
формулой:
,
где k0 и ks - волновые векторы падающего и рассеянного света; v - вектор скорости движущегося тела.
Датчик, в котором используется эффект Доплера, называется лазерным доплеровским волоконно-оптическим измерителем скорости. В зависимости от структуры оптической системы такие датчики можно разделить на два вида: с опорным светом и дифференциальные (рис. 22.8).
В лазерном доплеровском измерителе скорости с опорным светом лазерный луч освещает измеряемый объект через волоконно-оптический зонд. Этим же зондом принимается свет обратного рассеяния. Частотный сдвиг света в результате эффекта Доплера:
,
(22.2)
где λ - длина волны лазера; θ - угол между лазерным лучом и вектором скорости объекта. Измеряемый сигнал, имеющий частоту Доплера, получается путем гетеродинного обнаружения световым детектором лучей рассеяния и опорного света, пришедшего в детектор в результате френелевского отражения от торца зонда.
В лазерном доплеровском измерителе скорости дифференциального типа измеряемый объект освещается посредством волоконно-оптических зондов 1 и 2, а рассеянный свет принимается волоконно-оптическим зондом 3. В детекторе путем гетеродинирования этих световых лучей получается доплеровский сигнал измерителя. Частота биений, возникающая в результате гетеродинного обнаружения,
(22.3)
где δ - угол между двумя лазерными лучами. После измерения fb можно по формуле (22.3) определить скорость v.
Как видно из формул (22.2) и (22.3), сдвиг частоты зависит от угла освещения измеряемого объекта лучом лазера, а следовательно, требуется точная настройка оптической системы. Необходимо также учитывать, что в данных измерителях скорости используется явление рассеяния лазерного светового луча измеряемым объектом, поэтому чувствительность обнаружения твердого тела зависит от его цвета, степени обработки и чистоты поверхности, температуры и других факторов, а сыпучего тела - от размеров зерен, их формы, цвета и т. д.