9.2. Вод амплитудной модуляции

9.2.1.Амплитудная модуляция (АМ) наиболее удобна для дальнейшей обработки сигнала. Большинство схем не требует использования когерентного и монохроматического источника излучения, но для некоторых необходимо поляризованное излучение. Таким образом ни к источнику ни к фотоприемнику не предъявляются особых требований.

АМ может осуществляться за счет следующих факторов:

1. Непосредственно ослаблением света за счет изменения коэффициента поглощения (эффект ФранцаКелдыша);

2. Изменение отражательной или поглощательной способности при вариации коэффициента преломленияn, например, за счет нарушения условия полного внутреннего отражения;

3. Управляемая связь волноводов при изменении n;

4. Получение дополнительного излучения при воздействии измеряемого физического фактора.

Рассмотрим примеры конструкций ВОД, использующих эти факторы.

9.2.2. Датчик с ПП поглощающей пластиной (рис. 9.3,а) представляет собой объем ПП1 с подводящим2 и отводящим3 световодами, помещенный в корпус4. В датчике используется эффект ФранцаКелдыша, который проявляется при воздействии электрического поля Е, температуры и радиации. Например, при использовании GaAs и =880 нм такой ВОД обеспечивает измерение температуры от 10 до +300С с точностью 1С и постоянной времени =2 с. Его характеристика представлена на рис. 9.3,б.

Достоинствами его являются малые габариты и простота конструкции, и недостаткамиограниченность количества измеряемых параметров и невозможность их идентификации при совместном воздействии.

а б

Рис. 9.3. ВОД с ПП пластиной

9.2.3. Отражательный датчик перемещения (давления, температуры, вибрации) (рис.9.4,а) представляет собой замкнутую герметичную камеру1 с тонкой зеркальной мембраной2, подводящим и выводящим ВС3. Изза хода лучей в ВС на мембране будет световое пятно, вид которого зависит от расстоянии d₀ (рис. 9.4,б).

а б в

Рис. 9.4. Отраженный датчик перемещения

При dd₀ пятно имеет вид круга, а при dd₀вид кольца. Амплитуда в выводящем С В будет пропорциональна площади пересечения пятен двух ВС (рис. 9.4,б), что и определяет вид характеристики ВОД. Для увеличения динамического диапазона и уменьшения потерь вокруг одного подводящего ВС может быть установлено несколько выводящих, или два ВС устанавливаются под углом. Датчики такого типа могут использоваться в качестве чувствительного и не подверженного электромагнитным наводкам микрофона.

9.2.4. Датчики на основе нарушения условия полного внутреннего отражения могут быть разного вида. На рис 9.5,а представлен вариант датчика давления на основе кварцевого волокна с полимерной оболочкой. При сдавливании волокна в определенной точке давлением Р полимерная оболочка уплотняется, коэффициент преломления n₂ увеличивается, что и приводит к выводу луча из волокна и, следовательно, к уменьшению сигнала на выходе. На рис. 9.5,б изображена характеристика ВОД. Область применения его это измерение давления, усилия, перемещения. Достоинством является высокая чувствительность, а недостаткомнеобходимость механического перемещения. Такие ВОД используются в качестве гидрофонов.

а б

в г

Рис. 9.5. ВОД на основе нарушения условия полного

внутреннего отражения

На рис. 9.5,в,г показаны варианты ВОД уровня или типа жидкости. В варианте 9.4,в ВС изогнут радиусом R=R_кр, который в воздухе обеспечивает условие полного отражения. Однако, при помещении его в жидкость с более высоким n происходит излучение и на выходе сигнал уменьшается.

На рис. 9.5,г показан вариант с датчиком в виде призмы. В этом случае при погружении в жидкость нарушается условия отражения на двух гранях призмы.

9.2.5. Светогенерационные датчики используют излучение индуцированное в образующем его материале при тепловом, оптическом и радиационном воздействиях. Для них не требуется источник излучения.

В температурных датчиках непосредственно используется излучение, которое возникает в нагретой области ВС. Даже очень чистые стекла имеют адсорбционные потери в средней ИК области и, следовательно, излучают при нагревании в пределах t=(1001000)С.

Излучение тепловой мощности определяется выражением

, (9.1)

где _Чстепень черноты излучаемой поверхности площадью S, которая для различных сред изменяется в пределах (0,040,96); С₀=5,7 Вт/(м² К⁴)коэффициент испускания абсолютного черного тела; Т₁температура излучаемой поверхности в Кельвинах; Т₂температура окружающей среды.

Следует напомнить, что длина волны _М, соответствующая максимальной спектральной плотности излучения выражается через температуру законом смещения Вина

_м=C_в/ Т₁ (9.2)

где С_в=2,89610^3 мКпостоянная Вина.

Для специального ВС с 1000 дБ/км можно определить температуру от 80 С, а для обычного ВС от 135 С. При этом используется германиевый фотодиод и регистрируется излучение в диапазоне =11,8 мкм. Нижнюю границу температур можно сдвинуть до 100 К используя специальные флюоридные и халькогенидные стекла, прозрачные в области =325 мкм, кристаллы КРС5, АgСl, CsI и др.

Другой тип датчиков использует флюоресцентные добавки в материал ВС (ионов Nb³⁺). При этом применяется косвенный метод измерения температуры по постоянной флюоресценции _ф(t) на длине волны флюоресценции _фл=1,06 мкм. После снятия оптического возбуждения мощность излучения флюоресценции Р_фл уменьшается по закону

Р_фл=К еxр[/_фл], (9.3)

где Кнекоторая константа. Используя аппроксимацию реального импульса формулой (9.3) можно определить _фл, а затем температуру t(_фл) по двум измерениям.