Волоконооптические датчики

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.

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.

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).

Поиск по сайту: