Волоконоптические датчики могут достаточно эффективно использоваться в качестве детекторов приближения и уровня. На рис. 4.18 главы 4 показан один из
7.5. Оптические датчики
вариантов датчиков перемещении, в котором интенсивность отраженного света модулируется в зависимости от расстояния d до отражающей поверхности.
На рис. 7.28 показан оптический детектор уровня жидкости (см. также раздел 7.8.3). Он состоит из двух оптоволоконных световодов и призмы. Принцип его действия основан на разности коэффициентов преломления воздуха (или газообразной фазы материала) и жидкости, уровень которой необходимо определить. Когда датчик находится выше уровня жидкости, большая часть света передающего световода (левого) попадает в принимающий
световод (правый), что возможно благодаря полному внутреннему отражению призмы. Однако часть лучей достигают отражающую поверхность призмы под углами меньшими, чем угол полного внутреннего отражения, и теряются в окружающей среде. Когда призма достигает уровня жидкости, ее угол полного внутреннего отражения изменяется, поскольку коэффициент преломления жидкости превышает коэффициент преломления воздуха. Это приводит к большему падению интенсивности света, измеряемой на конце принимающего световода. Интенсивность света преобразуется в электрический сигнал при помощи соответствующего фотодетектора.
чувствительная область
(А)
(Б)
Рис. 7.29.Волоконооптический датчик уровня жидкости: А — когда датчик находится выше уровня жидкости, интенсивность света на выходе световода максимальная, Б — когда чувствительная область погружается в воду, интенсивность света падает.
304Глава 7. Детекторы положения, перемещений и уровня
На рис. 7.29 показан еще один вариант волокнооптического датчика (данный датчик изготавливается кампанией Gems Sensors, Plainville,CT). Здесь световод имеет U-образную форму. В световоде при погружении в жидкость происходит модуляция интенсивности проходящего света. Рядом с местами изгибов, там где радиус кривизны наименьший, детектор имеет две чувствительные области. Все устройство монтируется в зонде, имеющем диаметр 5 мм, при этом погрешность воспроизводимости результатов такого датчика составляет около 0.5 мм. Отметим, что при вынимании зонда из жидкости в чувствительных областях на нем остаются капли .
Датчики Фабри-Перо
Для прецизионного измерения малых перемещений в неблагоприятных условиях окружающей среды применяются, так называемые, оптические резонаторы Фаб-ри-Перо, состоящие из двух полуотражающих зеркал, расположенных напротив друг друга на расстоянии L (рис. 7.30А). Свет в резонатор поступает от источника с известными характеристиками, например, от лазера. Фотоны, попадая в резонатор, начинают отражаться то от одного, то от другого зеркала. В процессе этих отражений они интерферируют друг с другом. Фактически, резонатор играет роль светового накопителя. За пределы резонатора могут выйти фотоны только определенных частот. Таким образом, можно считать, что интерферометр Фабри-Перо является частотным фильтром, частота пропускания которого определяется длиной резонатора (рис. 7.ЗОБ). При изменении длины резонатора соответственно меняются и частота выходящего света. Если сделать одно из зеркал подвижным, то, измеряя выходящую частоту импульсов света, можно определять очень маленькие изменения длины резонатора. Частота выходных импульсов кратна интервалу Av, обратно пропорциональному длине резонатора:
где с — скорость света. Для используемых на практике резонаторов расстояние между зеркалами составляет порядка 1 мкм, а типичные значения Av лежат в интервале 500 МГЦ...1 ГГц. Таким образом, по разнице частот выходного излучения и сигнала от эталонного источника света можно судить об изменении длины резонатора с точностью, сравнимой с длиной волны света. Объектом измерения может быть любая физическая величина, изменение которой приводит к изменению размеров резонатора (перемещению зеркал): например, механическое напряжение, сила, давление и температура.
Благодаря своей универсальности, детекторы Фабри-Перо получили широкое распространение. Например, они используются для измерения давления, и температуры [7-10]. Такие датчики детектируют изменения длины оптического пути, вызванные либо изменениями коэффициента преломления, либо изменением физической длины резонатора. Детекторы Фабри-Перо, изготовленные при помощи MEMS технологий, обладают миниатюрными размерами и низкой стоимостью. Другим достоинством микродатчиков Фабри-Перо является то, что для генерации интерференционного сигнала им подходят практически любые когерентные источники света, даже такие как СИД.
выходящий свет
падающий свет
Рис.7.30. А — многократная интерференция внутри резонатора Фабри-Перо, Б — импульсы света на выходе резонатора
На рис. 7.31 показан датчик давления, использующий резонатор Фабри-Перо. Давление, действующее на верхнюю мембрану, заставляет диафрагму прогибать-ся вниз, тем самым, уменьшая высоту резонатора L. Резонатор изготавливается в виде монолитного кристалла методами микротехнологий, поэтому зеркала представляют собой либо диэлектрические, либо металлические слои, нанесенные на соответствующую подложку. Для получения требуемых характеристик датчика, толщину каждого слоя необходимо строго контролировать. На рис. 7.31 показан микродатчик давления, выпускаемый FISO Technologies (www.fiso.com). Этот датчик обладает очень низким коэффициентом температурной чувствительности (менее 0.03%) и имеет внешний диаметр 0.55 мм, что делает его идеальным для применения в составе имплантируемых медицинских устройств и других миниатюрных инструментов.
оптоволоконный световод
Рис. 7.31.Конструкция датчика давления Фаб-ри-Перо (А) и внешний вид датчика давления FISO FOP-M (Б)
(А)
(Б)
На рис. 7.32 показана измерительная система на основе датчика Фабри-Перо. Излучение от источника дневного света подается через светоделитель 2x2 на оптоволоконный волновод, соединенный с датчиком. В состав датчика входит интерферометр Фабри-Перо (ИФП), отражающий свет назад. При этом длина волны отраженного излучения зависит от размеров резонатора. Теперь остается только
измерить разницу длин волн. Это выполняется при помощи кросс-кореллятора, реализованного на базе клинообразного преобразователя Фабри-Перо, который, по существу, является резонатором с линейно изменяющейся геометрическими размерами. В зависимости от длины волны полученного излучения, оно пройдет через определенную зону резонатора. Место выхода света на клине преобразователя определяется при помощи детектора положения (ДП), детально описанного в разделе 7.5.6. Выходной сигнал детектора напрямую связан с внешним воздействием, приложенным к ИФП.
Рис. 7.32. Система измерения на основе датчика Фабри-Перо (Приведено с разрешения Roctest, www.roctest.com)
Преимущества данного метода: линейность; нечувствительность к интенсивности излучения источника света и излучения, возникающего при передаче сигналов по световодам; универсальность, т.е. возможность измерения различных внешних воздействий одним и тем же инструментом; широкий динамический диапазон (1:15000) и высокая разрешающая способность. В дополнение к этому во-локонооптические датчики устойчивы ко многим видам электромагнитных и радиочастотных помех и могут работать в суровых условиях окружающей среды, например, в СВЧ-печах.
7.5.5. Решетчатые датчики
Оптический датчик перемещения может быть изготовлен на основе двух перекрывающихся решеток, играющих роль модулятора интенсивности света (рис. 7.33А). Излучение от эталонной лампы сначала попадает на первую стационарную решетку, которая пропускает на вторую подвижную решетку только 50% света. Когда непрозрачные полоски подвижной решетки точно совмещаются с пропускающими зонами стационарной решетки, путь свету будет полностью перекрыт. Следовательно, такая комбинация решеток позволяет модулировать интенсивность выходящего пучка света от 0 до 50% интенсивности эталонной лампы (рис.7.33Б). Прошедший через решетки свет фокусируется на чувствительную поверхность фотодетектора, который преобразует его в электрический ток.
Рис. 7.33.Оптический датчик перемещений с решетчатым модулятором света: А — принципиальная схема, Б — передаточная функция
Максимальное измеряемое перемещение определяется размерами непрозрачного и пустого секторов решеток. Всегда необходимо выбирать компромисс между динамическим диапазоном модулятора и его чувствительностью, поскольку чем больше шаг решетки (больше размеры прозрачных и непрозрачных секторов), тем ниже чувствительность, но шире интервал измерений. Для повышения чувствительности желательно делать шаг решетки, как можно, меньше, чтобы самые незначительные перемещения решетки приводили к существенному изменению выходного сигнала. Этот тип модулятора используется в гидрофонах для определения перемещений диафрагмы [11]. При шаге решетки 10 мкм максимальное измеряемое перемещение составляет 5 мкм. В качестве источника света используется 2-х мВт He-Ne лазер, излучение которого через оптоволоконный световод подается на решетку. Тестирование показало, что чувствительность такого гидрофона составляет 1мкПа в динамическом диапазоне 125 дб, а рабочий интервал частот — порядка 1 кГц.
Принцип модуляции света при помощи решеток используется в очень популярных поворотных или линейных кодирующих устройствах, в которых в под-
вижной маске (обычно изготовленной в виде диска) формируются прозрачные и непрозрачные участки (рис. 7.34).
Рис. 7.34.Диски оптических шифраторов перемещений: А — дискретных, Б — абсолютных. При вращении диска по часовой стрелке (CW) сигнал а опережает сигнал b на 90° (В), а при вращении против часовой стрелки (CCW) — сигнал а отстает от b на 90° (Г).
Диск в данном случае выполняет роль прерывателя световых лучей оптопа-ры. Когда непрозрачный участок диска перекрывает путь лучу, на выходе детектора устанавливается нулевой уровень сигнала. При прохождении луча через прозрачную зону выходной сигнал детектора равен единице. Оптические кодировщики часто используют ИК излучатели и детекторы, работающие в спектральном диапазоне 820...940 нм. Диски обычно изготавливаются из многослойной пластмассы, а непрозрачные участки на них формируются фотографическим методом. Такие диски имеют низкий вес, малую инерционность, небольшую стоимость, а также обладают устойчивостью к ударам и вибрациям. Для расширения температурного диапазона диски изготавливают из металла, тогда рисунок в них выполняется по технологии травления.
Существует два типа кодирующих дисков: дискретных и абсолютных перемещений. В первом случае импульсы вырабатываются при повороте диска на фиксированную величину угла (шаг), во втором случае угловое перемещение задается комбинацией прозрачных и непрозрачных секторов, расположенных по радиусу диска. Обычно рисунок диска абсолютных перемещений соответствует конкретному цифровому коду. Чаще других используется код Грея, двоичный и двоично-десятичный код.
Поскольку диски первого типа имеют более простую конструкцию, а, значит, и меньшую стоимость, они и получили более широкое распространение в кодирующих системах. В шифраторах дискретных перемещений достаточно использовать только один оптический канал (пару излучатель-детектор). Если необходимо определять и скорость угловых перемещений, и их направление, требуются два оптических канала. Для этого чаще других применяется квадратурный метод детектирования, когда определяется фазовый сдвиг между выходными сигналами двух оптических каналов, по знаку которого можно судить о направлении движения, а по величине — о скорости и перемещении (рис. 7.34В и 7.34Г).