9. Волоконноотические датчики (вод)

1. Принцип работы, классификация и параметры вод

9.1.1. Под волоконнооптическим датчикомпонимается змерительный преобразователь, содержащий отрезок волоконного световода (ВС), оптические свойства которого зависят от внешнего воздействия, а также отрезки ВС, подводящие и отводящие оптическое излучение от места взаимодействия его с внешним полем, соединенные с источником излучения и фотоприемником.

ВОД применяются для повышения уровня помехозащищенности измерительных информационных систем. При этом электронная часть датчика может быть выполнена в небольшом ограниченном объёме за пределами области измерений. ВОД могут использоваться как для измерения неэлектрических величин(давления, уровня жидкости, перемещения, температуры и т.д.),так и электрических(ток, напряжение) для работы в условияхвзрывоопасности, высокой радиации, высоких и низких температурах, агрессивных средах, электромагнитных поляхи т.д.

Начало работ в области ВОД относятся к 70^Мгодам. Сейчас эта область интенсивно развивается, т.е. ВОД это всё более значимые изделияэлектроникиирадиофизики.

Схема ВОД в общем случае имеет вид, показанный на рис. 9.1. При этом используются различным физические эффекты, как используемые в оптических модуляторах, так и другие и все виды модуляции.

Рис. 9.1. Обобщенная структурная схема ВОД

Например; используются как широко известные физические эффекты (электролюминесценция, магнитострикция, пьезоэлектрический) и менее известные, например, эффект Саньяка.

Эффект Саньяка проявляется в том, что во вращающейся замкнутой петле или катушке ВС две волны, распространяющиеся в двух противоположных направлениях, пройдут одинаковое расстояние за разные промежутки времени (t₁ и t₂) или получат разный набег фаз (₁ и ₂). При одинаковой частоте двух волн регистрируется их разность фаз, а при разнойчастота биений. Эффект Саньяка используется в датчиках угловой скорости.

Внешним воздействием F_вх (рис.9.1) могут быть силаF, температура t, изменение размеров или перемещенияl, напряжениеu, сила токаi, линейнаяV или угловая скорости, ускорениеа_у и др. Измеряемыми величинами могутбыть изменение длины или перемещениеl, давлениеP и др. При помощи какого либо физического эффекта измеряемая величина преобразуется в оптический параметр среды x_и: коэффициент преломленияn, коэффициент поглощения или протяженностьl. Параметр среды изменяет параметры волны y_i: коэффициент модуляцииМ_мод, набег фазы или поляризацию. Фотоприемник регистрирует ток фотоприемникаi_фп, напряжение u_фп, или мощностьР_вых.

9.1.2. Возможна классификация ВОД по различным признакам: по характеру измеряемого параметра (давления, температуры), по типу модуляции (АМ, ЧМ, ФМ, ПМ), по используемому физическому эффекту и т.д. В дальнейшем используется классификация по типу модуляции.

9.1.3. Основными параметрами ВОД являются:

1. Диапазон входных воздействий F _{вх макс} F _{вх мин} (рис. 9.2);

2. Основная погрешность =(U_рU_и)/U_max100%, где U_р,U_иреальное и измеренное значения выходного сигнала;

3. Нелинейность характеристики _нел=(U_рU_и)/U_и_max100%;

Рис. 9.2. Характеристики ВОД

4. Температурный диапазон Т_максТ_мин;

5. Минимальное детектируемое воздействие F_{мин дет}определяется пороговой чувствительностью ФПрУ;

6. Частотный диапазон воздействия f_макс f_мин или постоянная времени ;

7. Динамический диапазон датчика D=20lg[(F_максF_{вх мин})/F_{мин дет}] [дБ];

8. Собственные потери оптического излучения В₀=10lg[дБ], гдеР_мощность источника излучения; Р_{вых о}выходная мощность при F_вх=0.

В некоторых случаях более важными являются эксплутационные характеристики: влажность, устойчивость к вибрациям, долговечность, масса , габариты, потребляемая мощность, стоимость и т.д.