Глава 3. Параметры и характеристики волоконно-оптических измерительных систем.

1. Измерительная характеристика.

Основной характеристикой ВОИС является измерительная характеристика – зависимость величины выходного сигнала фотоприёмника от величины измеряемого воздействия. Эта характеристика может иметь различный вид в зависимости от конкретного типа волоконно – оптического датчика, однако для всех видов измерительной характеристики можно отметить некоторые общие свойства и параметры. Возможные виды измерительной характеристики показаны на рисунках .

U_вых U_вых U_вых

_{Fmax Fmax Fmax}

Измеряемый фактор F F F

Fmin

а б в

При любом ходе измерительной характеристики можно отметить два основных параметра ВОИС – минимальное Fmin и максимальное Fmax значения измеряемого физического воздействия F. В зависимости от хода измерительной характеристики и типа ВОИС эти величины определяются различными факторами. Для измерительной характеристики типа а величина Fmax определяется “насыщением” характеристики – замедлением скорости роста выходного сигнала при больших F. Это может быть вызвано как физическими особенностями измеряемого процесса и метода его регистрации, так и переходом в режим насыщения выходного каскада фотоприёмника. Для измерительной характеристики типа б величина Fmax определяется “зашумлением” характеристики - уменьшением уровня выходного сигнала ниже уровня шумов фотоприёмника. Если же измерительная характеристика имеет периодический характер – тип в , величина Fmax определяется необходимостью обеспечить однозначность результата измерения. Другой важный параметр ВОИС - минимальное измеряемое значение Fmin – для кривых а и в определяется уровнем шумов фотоприёмника. При меньших значениях F полезный сигнал оказывается ниже уровня шумов, и для его обнаружения и измерения требуются специальные методы обработки сигнала. Для измерительной характеристики типа б величина Fmin также определяется уровнем шумов, точнее, отношением сигнал – шум в начале измерительной характеристики. Знание величин Fmin и Fmax позволяет определить область применения ВОИС – какие поля, температуры, давления способен измерять волоконный датчик данного типа. Совокупность обоих этих параметров задаёт такую характеристику ВОИС, как динамический диапазон D:

D = 10 lg ( Fmax / F min ) [ dB ]

2. Чувствительность датчика.

Термин “чувствительность” ( иногда используются термины “пороговая чувствительность“ и “порог чувствительности“ ) обычно характеризует минимальное значение приращения (ΔF)min измеряемой физической величины, которое может быть зарегистрировано измерительной системой. Этот параметр зависит как от вида измерительной характеристики, так и от выбора рабочей точки на измерительной характеристике. Кроме того, сильное влияние на него оказывает уровень шумов фотоприёмника. Для анализа зависимостей чувствительности и связанных с ней параметров рассмотрим упрощённую модель - представим внешнее воздействие F в виде постоянной F₀ и переменной ΔF составляющих:

F = F₀ + ΔF

При этом выходной сигнал фотоприёмника Uвых будет некоторой функцией преобразования датчика, включающей в себя все этапы преобразования воздействующей на ЧЭ физической величины F в выходное напряжение фотоприёмника (модуляцию одного из параметров оптического излучения в ЧЭ; преобразования в модуляцию оптической мощности; фотодетектирование; усиление). Очевидно, что выходной сигнал Uвых есть функция не только физической величины F, но и ряда других факторов – таких, как мощность излучения источника, передаточных параметров волоконно – оптического тракта, эффективности фотопреобразователя и схемотехники усилителя фотоприёмника. Для упрощённого анализа можно считать все эти параметры стабильными, не зависящими от внешних факторов и включить их в функцию f в виде постоянных коэффициентов.

Uвых = f ( F )

В большинстве практических случаев вблизи рабочей точки F₀ можно разложить функцию f ( F ) в ряд Тейлора вида :

f( F ) = f(F₀) + df(F) /dF│_F0 ΔF + 1/2! d²f(F) /dF²│_F0 (ΔF)² +......+ 1/(n-1)! dⁿf(F) /dFⁿ│_F0 (ΔF)ⁿ +...

Обычно этот ряд достаточно быстро сходится, и в большинстве практических случаев (при малых диапазонах изменения величины ΔF) зависимость Uвых от ΔF можно линеаризовать :

Uвых = f(F₀) + df(F) /dF│_F0 ΔF = U₀ + ΔU

где U₀ – постоянная составляющая, а ΔU - информационный сигнал, переменная составляющая,которая может быть представлена в виде :

ΔU = S ΔF₀

S – чувствительность датчика (крутизна преобразовательной характеристики в рабочей точке) .

S = df(F) /dF│_F0

Таким образом, обработка сигнала в данном случае может быть сведена к отфильтровке постоянной составляющей U₀ и определению измеренной величины ΔF :

ΔF₀ = ΔU/S = K ΔU

где К – масштабный коэффициент, коэффициент преобразования датчика. Измеренная таким образом величина ΔF₀ отличается от истинного значения ΔF на некоторую величину δF

δF = ΔF - ΔF₀ = [f(F₀+ ΔF) – f(F₀)]/S - ΔF₀

Как видим, ошибка в измерениях определяется отличием реальной измерительной характеристики от линеаризованной. Максимально допустимая для данного датчика ошибка δF_max определяет верхнюю границу динамического диапазона датчика.

Uвых

F

Таким образом, чувствительность датчика определяется крутизной S измерительной характеристики в области выбранной рабочей точки, и может быть различной в разных частях характеристики. При этом и чувствительность, и порог чувствительности зависят от уровня шумов приёмника излучения (а в ряде случаев, и от уровня собственных шумов источника излучения и дополнительных шумов, появляющихся при обработке оптического сигнала в ЧЭ, например, спектр – шумов). Очевидно, что с увеличением чувствительности происходит уменьшение динамического диапазона датчика.