4.Волоконнооптические датчики влажности

Гигрометры предназначены для контроля содержания воды в газах, воздухе. Контроль влажности в газах можно осуществить путем просвечивания газовой среды, измерения температуры точки росы или использования реагентов (влагочувствительных материалов). В последнем случае удается определять влажность газов с точностью более 1 %.

В гигрометре, приведенном на рис.20, влагочувствительный блок выполнен в виде двух оптически прозрачных стержней с различными коэффициентами преломления, боковые матированные поверхности которых покрыты влагочувствительным, а один из торцов отражающим слоем. Фотоприемный блок состоит из двух фотоприемных модулей, которые связаны с оптическими прозрачными стержнями ВС [11].

Световой пучок от источника света по входному ВС 3 проходит через верхние торцы в оптические стержни. Часть светового пучка испытывает в стержнях необходимое количество отражений от боковых граней, которое определяется заданной чувствительностью измерений. По выходным ВС1 _0и ВС2 световой поток попадает на фотоприемные модули. Измерительный прибор регистрирует разность напряжений фотоприемных модулей, несущую информацию о влажности. Наличие стержней с разными коэффициентами преломления позволяет получить высокие точность и стабильность.

В основе ВОД влажности [10] лежит зависимость интенсивности теплоотвода от влажности окружающей среды. Первичный преобразователь представляет световод (l=18 мм) с пленочным металлическим подогревателем, модулирующим оптическое излучение по фазе. Регистрация осуществляется интерферометром и реверсивным счетчиком.Датчик позволяет измерять влажность в диапазоне 10... 20г/л.

Рис.20. Гигрометр с использованием ВС [11]

Полупроводниковый ИК влагомер, схема которого приведена на рис.21 [39], основан на приеме излучения, отраженного от контролируемой поверхности. Влагомер предназначен для измерения влажности ткани. Исследование спектров отражения и поглощения ИК излучения влажными текстильными образцами показало, что основную информацию о влагосодержании дают измерения на длине волны 1,93 мкм. Для компенсации влияния толщины, температуры и колебаний поверхности материала относительно измерительного преобразователя формируют опорный сигнал на длине волны 1,79 мкм. Влияние физикохимических свойств волокна на результаты измерения учитывается сигналом на длине волны 2,1 мкм.

Анализ спектральных характеристик ИКсветодиодов показал, что смещение их максимума излучения при изменении температуры на 1 oС составляет 0,24 нм. При работе ИКсветодиодов (lмакс _0=1,4... 1,94 мкм) в непрерывном режиме свечения (при питании постоянным током) мощность излучения не превышает 0,5... 1,0 мВт. При питании светодиодов импульсным током с частотой 1 кГц и длительностью импульса 5 мкс они способны пропускать ток 3... 5 А, что увеличивает мощность ИКизлучения в 20... 30 раз и уменьшает его ширину спектра, причем в этом случае достигается 100 % ная модуляция потока излучения.

Рис.21. ИКвлагомер ткани [39]

В качествефотоприемникаиспользуетсяфоторезистор ФСВ16АН. Частотный диапазон модуляции потока излучения светодиодов ограничивается 3... 5 кГц в силу инерционности фоторезистора. В оптическом тракте применяют световоды из молибденового стекла.

Влагомер работает следующим образом (см.рис.21). Генераторы осуществляют питание светодиодов импульсным током с частотой соответственно fизм и fоп_0. Модулированные потоки излучения от светодиодов с длинами волн 1,93 и 1,79 мкм по ВС1 и ВС2 передаются к излучающей части концентратора и затем на материал, влажность которого измеряется. Отраженная от материала часть потока ИКизлучения, функционально зависящая от влажности материала, попадает на воспринимающую часть концентратора, преобразуется фотоприемником в электрический сигнал. С выхода усилителя сигнал поступает на входы синхронных детекторов, управляемых сигналами от генераторов питания, что позволяет выделить потоки ИКизлучения с длинами волн 1,93 и 1,79 мкм. Сигналы, выделенные синхронными детекторами, поступают на вход блока отношения, выход которого подключен к регистрирующему устройству или регулятору влажности.

Зависимости отражательной способности излучения от влажности волокнистого материала, измеренные непосредственно на выходах синхронных детекторов, приведены на рис.22. Видно, что на длине волны 1,93 мкм излучения светодиода чувствительность к влагосодержанию достаточно высока при влажности образцов от 0 до 40 % (рис.22,а). На длине волны 1,79 мкм излучения светодиодов влагосодержание от 0 до 25 % влияет на чувствительность незначительно (рис.22,б). С увеличением влагосодержания эта зависимость становится нелинейной и наблюдается влияние вида волокна.

Рис.22. Зависимость отражательной способности ИКизлучения от влажности волокнистого материала [39]

На рис.23 приведена схема влагомера текстильных материалов, построенного на приеме прошедшего через контролируемый объект из лучения. Влагомер работает следующим образом [39]. Излучения опорного lоп=1,79 мкм и измерительного 5 (lизм=1,93 мкм) источников через усилители мощности 2 и 3 попеременно подключаются к блоку 1 импульсного питания, который управляет также работой ключей блока селекции 10. На фотоприемник 8 через оптическую систему 6 и оптический канал 7 с исследуемым материалом поступает последовательность импульсов опорного Фоп и измерительного Физм излучений, которая преобразуется в последовательность электрических импульсов Uоп и Uизм_0, поступающих через усилитель 9 и блок селекции 10 на функциональный блок 20.

В режиме контроля влажности пороговый элемент 19 находится в первом устойчивом состоянии, открывая ключи 12 и 13 и закрывая ключи 11 и 14.

При выводе исследуемого материала за пределы оптического канала 7 сигнал на выходе усилителя 9 возрастает до максимального значения, что соответствует световым потокам Фо.оп и Фо.изм_0. При этом пороговый элемент 19 перебрасывается во второе устойчивое состояние, открывая ключи 11 м 14 и закрывая ключи 12 и 13. В ячейках 16 и 17 памяти запоминаются значения соответственно Uо.оп и Uо.изм, а на функциональном блоке сохраняется результат последнего значения контролируемой влажности.

Последовательность электрических импульсов Uо.оп и _0Uо.изм с усилителя 9 разделяется ключами 11 и 14, управляемыми блоком импульсного питания 1, на составляющие Uо.оп и Uо.изм_0, которые поступают на ячейки памяти 15 и 18 и далее на блоки сравнения 21 и 22 соответственно, где сравниваются с фиксированным напряжением Uпор источника 23. Сигналы рассогласования с блоков 21 и 22 после сравнения поступают на входы управления усилителей мощности 2 и 3 и устанавливают амплитуду импульсов, питающих источники излучения 4 и 5. Система автоподстройки, таким образом, поддерживает световой поток от источников излучения 3 и 4 таким, чтобы сигналы Uо.оп и Uо.изм были постоянными и равными Uпор независимо от влияния внешних факторов.

При вводе исследуемого материала в оптический канал 7 уровень сигнала на выходе усилителя 9 уменьшается, что вызывает переброс порогового элемента 19 в первое состояние. При этом в ячейках памяти 15 и 18 запоминаются значения соответственно _0Uо.оп и Uо.изм_0, тем самым во время контроля влажности световые потоки, падающие на исследуемый материал, поддерживаются равными Фо.оп и Фо.изм_0, обеспечивая стабильность сигналов опорного и измерительного каналов независимо от параметров окружающей среды и старения элементов.

Недостатком этих влагомеров является наличие нескольких каналов измерения, включающих в себя фотоприемник и схему селекции.

Последнее снижает точность измерения изза неидеальности и дрейфа параметров измерительного и опорного каналов.

При измерении влажности двухволновым методом показание функционального блока 20 зависит от нелинейности световой характеристики фотоприемника

Uвых=2 Физм _0/ Фоп2 exp (mвл k1 aфп_0),(7)

где mвл масса влаги в исследуемом материале;

k1 коэффициент пропорциональности;

aфп показатель нелинейности световой характеристики фотоприемника.

Скважность импульсов зависит от изменения интенсивности излучения, падающего на фотоприемник, и принимает значения от 0,5 до 1,0. Таким образом, изменения положения рабочей точки на световой характеристике фотоприемника, вызванные, например, изменением интенсивности его фоновой засветки, вносят дополнительную погрешность.

На рис.24 изображена функциональная схема влагомера, в которой устранены перечисленные выше недостатки [40]. Влагомер содержит блок импульсного питания, который соединен с электрическими входами источников оптического излучения. Начальные потоки излучения Фо.оп _0=Фо_0(lоп_0) и Фо.изм _0=_0Фо_0(lизм_0) от опорного и измерительного источников посредством ВОС разделяются на два потока, один из которых

Ф1.изм+Ф1.оп

непосредственно направляется на фотоприемник эталонного канала обработки, а другой

Ф2.изм+Ф2.оп

направляется через оптический канал с исследуемым материалом на фотоприемник измерительного канала. Причем

Ф1.изм _0/ _0Ф2.изм _0=Ф1.оп _0/ _0Ф2.оп_0.(8)

Фотоприемники через усилители подключены к блокам селекции, имеющим каналы измерительного и опорного сигналов, работа которых синхронизирована блоком импульсного питания. Входы второго блока сравнения соединены с выходами блока селекции, а выход подключен к входу управления мощностью измерительного источника, осуществляя автоподстройку мощности излучения.

Выход первого блока селекции подключен к одному из входов первого блока сравнения, второй вход которого подключен к источнику порогового напряжения, а выход соединен с входом управления опорного источника, стабилизируя мощность излучения.

Выход первого блока селекции подключен к входу функционального блока, служащего для обработки сигналов, несущих информацию о влажности по алгоритму

Uвых=ln (U1.изм / U1.оп).

Схему автоподстройки коэффициента усиления второго усилителя образует второй блок селекции и третий блок сравнения, один из входов которого связан с выходом второго блока селекции, а другой предназначен для подключения к источнику порогового напряжения.

Влагомер работает следующим образом. Источники излучения последовательно во времени подключаются к блоку импульсного питания. При этом через них проходит ток, возбуждающий импульсы с потоком излучения Фо.изм _0=Фо_0(lизм_0) и Фо.оп _0=Фо_0(lоп_0). Волоконнооптическая система разделяет их на два потока

Ф1.изм _0+Ф1.оп и Ф2.изм _0+_0Ф2.оп_0.

Мощность излучения опорного источника зависит от параметров схемы стабилизации мощности. Уровень мощности излучения задается пороговым напряжением Uпор_0. Сигнал с первого фотоприемника делится первым блоком селекции на опорный U1.оп и измерительный U1.изм пропорционально потокам Ф1.изм и Ф1.оп_0:

U1.оп _0=K1.оп_0(Ф1.оп_0) 2 a1 8 (9)

U1.изм _0=_0K1.изм_0(Ф1.изм_0)2 _0,

где К1.изм и К1.оп коэффициенты передачи измерительного и опорного каналов;

a1 показатель нелинейности световой характеристики фотоприемника.

Если разность напряжений U1.изм и U1.оп отлична от нуля, то на выходе первого блока сравнения появится сигнал, воздействующий на вход управления мощностью опорного источника излучения.

Таким образом, схема стабилизации мощности поддерживает падающий поток Ф1.оп_0, а следовательно, и Ф2.оп постоянным, тем самым фиксируя рабочую точку на световой характеристике первого фотоприемника.

На второй фотоприемник поступает излучение, представляющее собой сумму прошедших через исследуемый материал потоков Ф2.изм и Ф2.оп_0, которые преобразуются в электрический сигнал. После усиления в усилителе с регулируемым коэффициентом сигнал делится на

U2.оп=K2.оп_0(Ф2.оп_0) _0exp(a2_0k2_0mм_0), 2

a2 8_0(10)

U2.изм _0=_0K2.изм_0(Ф2.изм_0) _0exp(a2_0k2_0mвл a2_0k2_0mм_0), 2

где К2.оп и К2.изм коэффициенты передачи опорного и измерительного каналов блока селекции 10; k2 коэффициент пропорциональности; mвл масса влаги в исследуемом материале; mм масса исследуемого материала; a2 показатель нелинейности световой характеристики второго фотоприемника.

Если разность U2.оп _0 U2.изм отлична от нуля, то сигнал с выхода второго блока сравнения воздействует на вход управления измерительного источника. Таким образом, схема автоподстройки мощности излучения источника поддерживает постоянным равенство прошедших через оптический канал потоков измерительной и опорной длин волн, т.е. U2.оп=U2.изм_0. Подставляя в (7) выражение (10), находим, что при К2.изм=К2.оп_0

Ф2.оп exp(k2_0mвл_0)=Ф2.Изм _0(11)

независимо от положения рабочей точки на световой характеристике второго фотоприемника.

Равенство коэффициентов передачи К2.изм=К2.оп обеспечивается применением схемы, которая независимо от изменения оптической плотности исследуемого материала и фоновой засветки второго фотоприемника путем изменения коэффициента усиления второго усилителя поддерживает постоянным напряжение на выходе второго блока селекции, пропорциональное напряжению Uпор_0.

Преобразовав (11) с учетом соотношений (8), (9) и приняв a1 _0=a2 _0=aфп_0, получим выражение для показаний функционального блока:

Uвых=ln (U2.изм _0/ _0U2.оп_0)=k1aфп_0mвл,

которые, очевидно, зависят от количества влаги mвл в исследуемом материале и положения рабочего участка на световой характеристике первого фотоприемника, которая в свою очередь для опорного сигнала поддерживается постоянной схемой стабилизации мощности опорного источника излучения. Изменение мощности излучения измерительного источника меняется только при изменении количества влаги mвлв исследуемом материале и не зависит от изменения параметров исследуемого материала (поверхностной плотности, структуры, красителя и т.п.).