Главная

Категории:

ДомЗдоровьеЗоологияИнформатикаИскусствоИскусствоКомпьютерыКулинарияМаркетингМатематикаМедицинаМенеджментОбразованиеПедагогикаПитомцыПрограммированиеПроизводствоПромышленностьПсихологияРазноеРелигияСоциологияСпортСтатистикаТранспортФизикаФилософияФинансыХимияХоббиЭкологияЭкономикаЭлектроника






Датчики оптронного типа с открытым каналом


 

В настоящее время предложен достаточно широкий класс сенсорных устройств, построенных в оптронной геометрии с открытым каналом, для систем экологического контроля, медицины, измерительной техники, торговли и учета продукции.

Рассмотрим типичные схемы оптронных датчиков.

Газоанализатор содержания NO, NO2 и So2. Система построена по амплитудному принципу детектирования. Световой поток от источника излучения, проходя через делительную пластину, разделяется на детектирующий и опорный сигналы. Детектирующий пучок проходит через камеру с газовой смесью, ослабляется вследствие селективного поглощения, попадает на ФЭУ, усиливается логарифмическим усилителем и затем регистрируется. Интенсивность поглощения на молекулах NO2 измеряется на длине волны 436 нм, в то время как излучение по опорному каналу регистрируется на длине волны 578 нм.

Устройство для детектирования товарных знаков. Принцип действия основан на регистрации диффузно рассеянного света СИД красного цвета свечения. Прибор может работать при окружающем освещении и расстоянии от детектируемого объекта на расстоянии 2+0,2 см. При этом скорость считывания информации составляет 1000 знаков в секунду. Информация может считываться и на цветном фоне. В датчиках штрихового кода высокое разрешение может быть достигнуто с использованием линзовой оптики (рисунок 11.1).

 

Рисунок 11.1 - Система с коаксиальными линзами, работающими на отражение

 

Излучатели, применяемые для засветки штрихового кода не должны отображаться на плоскости кода, это увеличивает поток излучения, поступающий на фотодиод, но может вызвать и образование интерференционных картин в результате взаимодействия между кодом и деталями изображения излучателя. В связи с этим в качестве излучателя Д1 рекомендуется применять группу светодиодов. По этой же причине светодиод Д2 (если он применяется вместо светодиода Д1) должен отображаться линзой 2 на плоскости линзы 1 или с небольшим смещением влево. Если изображение светодиода Д2 фокусируется на плоскости линзы 1, то оно будет дефокусироваться на плоскости кода и вероятность появления интерференционной картины уменьшается.

Разрешающая способность детектирования по линиям кода равна диаметру фоточувствительной поверхности фотоприемника.

Датчики перемещения и угла поворота обеспечивают измерение скорости вращения до 1200 об/мин, при этом точность измерения угла поворота составляет 360/8 N, где N – число штрихов на вращающемся диске. Прецизионные датчики положения и перемещения. В данном случае используется трехлучевая оптическая схема с излучающим ИК-диодом и двумя позиционно-чувствительными датчиками. Прецизионные датчики обеспечивают измерение расстояний в диапазоне 1-1000 см.

Противопожарные детектирующие датчики, детектирующие присутствие дыма (рисунок 11.2).

При отсутствии дыма, свет от источника не попадает на фотоприемник.

 

 

Рисунок 11.2 - Оптические схемы оптоэлектронных детекторов дыма:

а) коаксиальная и б) радиальная

 

Для обнаружения дыма методом рассеяния или отражения необходимы лишь правильная установка преграды и размещение светодиода и фотоприемника.

Как в коаксиальной, так и в радиальной геометрии фотоприемник и преграда устанавливаются таким образом, чтобы излучение в отсутствии дыма не достигло фотоприемника. В обеих схемах используются экраны.

 

Волоконно-оптические датчики

Публикации о первых разработках и экспериментальных образцах оптоволоконных датчиков появились во второй половине 1970-х годов. Однако, считается, что этот тип датчиков сформировался как самостоятельное направление только в начале 1980-х годов.

Волоконно-оптические датчики делятся на две большие группы:

- Детектирование внешнего воздействия осуществляется с помощью оптикоэлектронного преобразователя, а в качестве линии связи с периферийными устройствами сенсорной системы используется волоконная линия.

- Волоконный световод используется в качестве активного элемента, с помощью которого осуществляется детектирование внешних воздействий.

В датчиках сенсорного типа чаще всего используется одномодовое волокно, а в датчиках типа “линии связи” - многомодовое волокно.

Разработка ВОД поставила исследователей перед необходимостью широкого использования различных физических эффектов (эффекты Поккельса, Фарадея, Доплера, Саньяка, эффект фотоупругости). Основные параметры ВОД в значительной степени определяются проявлением указанных эффектов. Многие из этих эффектов в оптических системах связи оцениваются как недостатки, а в датчиках же их проявление считается преимуществом, которое следует развивать.

Эффект Фарадея заключается в том, что при распространении световой волны, происходит поворот ее плоскости поляризации в магнитном поле на определенный угол. На этом эффекте создаются поляризационные датчики.

Эффект Поккельса или электрооптический эффект 1-го порядка состоит в том, что под действием электрического поля происходит изменение коэффициента преломления, пропорциональное величине напряженности электрического поля.

Эффект фотоупругости - проявление двойного лучепреломления при деформации упругого тела. Входящий в упруго деформированную среду линейно поляризованный свет приобретает на выходе круговую поляризацию. При этом меняется выходная мощность.

Эффект Доплера - при освещении движущегося объекта лазерным лучом частота рассеянного света сдвигается относительно частоты падающего света.

Релятивистский эффект Саньяка - во время распространения света по каналу в направлении вращения больше, чем в случае распространения в противоположном направлении. Этот эффект широко используется в проектировании волоконно-оптических гироскопов.

Современные волоконно-оптические датчики позволяют измерять: давление, температуру, расстояние, положение в пространстве, скорость вращения, скорость линейного перемещения, ускорение, колебания, массу, звуковые волны, уровень жидкости, деформацию, коэффициент преломления, электрическое поле, электрический ток, магнитное поле, концентрацию газа, дозу радиационного излучения и т.д.

Высокие оптические свойства волоконных световодов обусловили их использование в качестве протяженных интерферометров Фабри-Перо. В наиболее широко используемой схеме ВОД с волокном в качестве активного элемента излучение от лазера вводится одновременно в основной канал, подвергающийся внешнему воздействию, а также в параллельный канал (канал сравнения). На выходе схемы оптический сигнал каждого из каналов преобразуется в электрический сигнал с помощью ФД. При отсутствии внешних воздействий интерференционные картины идентичны. Наличие внешних воздействий приводит к различию интерференционных картин, при этом степень отличия интерференционных картин является мерой внешнего воздействия.

Рассмотрим типичные схемы оптоволоконных датчиков.

11.3.1Датчики температуры.

При дистанционном контроле высокотемпературных процессов – источником информации о температуре контролируемого объекта может быть тепло самого разогретого объекта. С учетом излучательной способности разогретого материала его температуру можно определить из спектрального положения максимума излучения в соответствии с соотношением: λ=2,9∙103/Т.

Оптическая схема датчика содержит световодную линию, транслирующую излучение нагретого тела к блоку регистрации, который состоит из системы селективных оптических фильтров (либо монохроматора), ФП в виде pin –ФД и системы обработки информации. Нижняя температурная граница при этом ограничена недостаточным оптическим пропусканием оптических волокон в ИК- области, а также обнаружительной способностью приемников излучения для данного температурного диапазона. Вместе с тем фотодиоды на основе кремния, германия или фотосопротивления на основе PbS дают возможность обеспечить температурный контроль от 400-2000оС.

Сильная температурная зависимость спектрального положения края оптического поглощения позволяет построить оптическую схему температурного датчика на принципе оптического поглощения. Активным элементом датчика в данном случае является кристалл полупроводникового материала, например GaAs. По волоконному световоду к активному элементу датчика подводятся два световых потока от сигнального СИД (0,87 мкм), и опорного СИД (1,3 мкм). Спектральное положение светового потока сигнального СИД близко к краю оптического поглощения GaAs, поэтому такое излучение сильно поглощается в зависимости от температуры. В тоже время излучение на длине волны 1,3 мкм проходит через кристалл GaAs практически без поглощения, поскольку энергия квантов существенно меньше ширины запрещенной зоны арсенида галлия. С помощью указанного датчика можно определять температуру в диапазоне 30-300оК с точностью +0,5 К.

На различной температурной зависимости интенсивности флуоресцентного излучения в различных спектральных областях основана оптическая схема флуоресцентного датчика температуры. Под действием УФ-излучения слой флуоресцентного материала (Cd0,99 Eu0,01)2O2S, нанесенного на торец световода, излучает как в сине-зеленой (520 нм) области, так и в красно-оранжевой (620 нм) области спектра. При этом коротковолновое излучение сильно зависит от температуры, так как длинноволновое характеризуется слабой температурной зависимостью и выполняет функцию опорного канала. С помощью этого датчика можно измерять от -50 до -200 оС с точностью +0,1оС.

Применение ВОД с волокном в качестве чувствительного элемента позволяет существенно повысить температурную чувствительность датчика при одновременном усложнении аппаратуры. На торцы волоконного световода напыляют полупрозрачные зеркальные покрытия с высоким коэффициентом отражения. Изменение температуры приводит к термическому расширению или сужению волокон и изменению их коэффициента преломления, а это в сопровождается изменением интерференционной картины.

С помощью интегрально-оптического интерферометра, температурный интервал работы ИОД может быть расширен до 700 оС.

 



Последнее изменение этой страницы: 2016-06-09

headinsider.info. Все права принадлежат авторам данных материалов.