Эффекты, связанные с модуляцией интенсивности. 1. Поглощение света. Характеристики поглощения света веществом зависят от свойств и размеров измеряемого объекта, и для датчика можно использовать их изменение, например: температурную зависимость граничной длины световой волны спектра поглощения у полупроводников (датчик температуры); эффект Франца -Келдыща (датчик электрического поля), эффект пьезопоглощения (датчик давления), изменение спектра молекулярного поглощения (газовый датчик) и т. д.

2. Отражение. В датчиках используется изменение интенсивности света, отраженного от диафрагмы (датчик давления), жидкого кристалла (датчик давления, температуры), жидкости (датчик уровня жидкости, датчик жидкости) и т. д.

3. Люминесценция. Здесь используются явления, при которых происходит светоизлучение в результате приема различных корпускулярных лучей, химического или физического воздействия. Это, например, такие явления, как термолюминесценция (датчик температуры излучения черного тела), электролюминесценция (датчик электрического напряжения), радиоактивная люминесценция (радиационный датчик) и т. д.

4. Другие эффекты. Кроме перечисленных явлений используются дифракция света (датчики чистоты обработки поверхности), испускание веществом обыкновенного луча (температурный датчик) и т. д.

Эффекты, связанные с модуляцией поляризованного луча. 1. Эффект Фарадея (датчики электрического тока, магнитного поля). Если при передаче линейно поляризованной световой волны в ферромагнетике действует магнитное поле, вектор напряженности которого совпадает с направлением распространения света или противоположен ему, то плоскость поляризации светового луча будет поворачиваться. Это явление, называемое эффектом Фарадея,-следствие анизотропии преломляющих свойств среды для световых волн с правой и левой круговой поляризацией, которая возникает под воздействием магнитного поля. При этом знак угла поворота плоскости поляризации ие зависит от направления распространения света (по вектору напряженности магнитного поля или против него).

2. Эффект Поккельса (датчики электрического напряжения, напряженности электрического поля). Если подавать на кристалл, например, пьезоэлектрика, электрическое напряжение, то коэффициент преломления в нем изменяется пропорционально напряженности электрического поля. Это явление называется эффектом Поккельса или электрооптическим эффектом первого порядка.

3. Эффект фотоупругости (датчики давления, колебаний, звукового давления). При деформации упругого тела изменяется коэффициент преломления этого тела и проявляются свой-136

ства двойного лучепреломления. Это эффект фотоупругости. Эффект Поккельса наблюдается только в пьезоэлектрических кристаллах, а эффект фотоупругости - во всех веществах.

4. Другие эффекты. Наряду с эффектом Фарадея, обусловленным магнитным полем, известен аналогичный эффект по отношению к электрическому полю. Это явление называется электрогироскопическим эффектом (в основе датчика электрического поля). Суть его в том, что плоскость поляризации вращается под воздействием электрического поля. Этот эффект наблюдается в а-кварце, в монокристалле Bii2Ge02o. Кроме того, известен эффект Керра, при котором коэффициент преломления вещества изменяется пропорционально второй степени напряженности электрического поля (датчик электрического поля), эффект Коттона - Мутона, когда коэффициент преломления изменяется пропорционально второй степени напряженности магнитного поля, и др.

Эффекты, связанные с модуляцией частоты. 1. Эффект Доплера (датчики скорости, вибрации, потока). Если осветить движущийся объект лучом лазера, то частота света, рассеиваемого объектом, будет иметь сдвиг относительно частоты падающего на него света. Это явление известно как эффект Доплера.

2. Рамаиовское рассеяние (газовый датчик). Если осветить вещество интенсивным светом, то можно наблюдать появление дополнительных световых волн с частотой выше и ниже частоты исходного света. Это явление связано с колебаниями молекул вещества и может быть использовано для измерения концентрации газов, загрязненности атмосферы.

3. Фотолюминесценция (температурный датчик). Если освещать полупроводник светом с длиной волны более короткой, чем на краю основного спектра поглощения света, то свет поглощается и возбуждает электроны валентной зоны. Электроны рекомбинируют с дырками зоны, и излучается свет с длиной волны, зависящей от ширины запрещенной зоны. Это явление называется фотолюминесценцией. Ширина запрещенной зоны, в свою очередь, зависит от температуры, поэтому по длине волны излученного света можно измерять температуру.

Эффекты, связанные с модуляцией фазы. Если волновые фронты двух когерентных световых лучей накладываются друг на друга, то при суммировании интенсивности лучей могут получаться различные (в зависимости от распределения фаз и интенсивности обеих световых волн) интерференционные картины. Следовательно, изучая интерференционную картину, можно измерять нужную величину. Для этой цели используются различные интерферометры, в том числе и на оптических волокнах (более подробно см. в гл. 6).

5.2.3. Пути улушения работы. Отношение сигнал - шум для измеряемого сигнала. Отношение сигнал - шум для измеряе-

мого волоконно-оптическим датчиком реального сигнала выражается следующей формулой:

mMSoPo

S/N = -

(5.2)

где числитель - это информационная, а знаменатель - шумовая составляющая сигнала; первый член знаменателя обозначает дробовой шум светового детектора, второй член -тепловые шумы сопротивления нагрузки, а третий (Лед:) - другие, так называемые избыточные шумы; т -глубина модуляции иитеисивиости света в оптическом датчике; М - коэффициент усиления светового детектора; So - чувствительность светового детектора, А/Вт; Ро - мощность принимаемого света, Вт; х - коэффициент шума светового детектора; х= 1,380-10- Дж/К - постоянная Больцмаиа; Г -абсолютная температура. К; Rb - сопротивление нагрузки светового детектора. Ом; В - частотная полоса детекторной системы, Гц.

Способы улучшения отношения сигнал -шум. На основании формулы (5.2) и рис. 5.2 можно определить пути улучшения отношения сигнал - шум для измеряемого сигнала.

1. Увеличение глубины модуляции. Применяются оптические материалы с повышенной чувствительностью. Кроме того, оптимизируется конструкция самого датчика и его светочувствительной части.

2. Увеличение мощности принимаемого света. Наряду с оптимальным выбором источника света и оптического волокна принимаются меры по снижению потерь в соединении источника света с оптическим волокном, а также вносимых потерь светочувствительной части, различных элементов оптической схемы, оптических разъемов и т. д.

3. Оптимизация светового детектора. Выбирается световой детектор с наибольшей чувствительностью именно к тем световым волнам, которые излучаются используемым источником света.

Среди лавинных фотодиодов и фотоумножителей выбираются те, которые обладают большим коэффициентом усиления и меньшим уровнем избыточных шумов.

4. Уменьшение уровня избыточных шумов (Nex). К избыточным относятся собственные шумы источника света (особенно лазеров), шумы, обусловленные внешними повреждениями оптического волокна, флюктуациями потерь иа стыке волокна со светочувствительной частью (обычно называемыми дрейфом) и т. д. Ниже будут рассмотрены типичные меры противодействия избыточным шумам.

Избыточные шумы в датчике с лазером в качестве источника света состоят из шумов обратного света, амплитудных шумов лазера, фазовых, спектральных шумов и т. д. Шумы

S 3*

>=« х:

§

о о S >. В

3 X X

D, С

0£

V ел со

£ о <в

§

а о S

>.

в-

<0

обратного света возникают, когда часть излучения возвращается в резонатор лазера. Эти лучи могут отражаться от торцов оптического волокна, от различных элементов оптической схемы, появляться в результате рассеяния Рэлея внутри волокна и т. д. Особенно это характерно для полупроводниковых лазеров, обладающих по сравнению с газовыми лазерами высоким коэффициентом усиления. Поэтому даже при очень слабом отражении света (мощностью, составляющей 10"... 10® мощности лазера) возникают значительные шумы, а интенсивность и частота излучения лазера становятся нестабильными. Шумы отражения уменьшают, применяя оптическое волокно с отполированным наискось передним (у лазера) торцом или вставляя между лазером и оптическим волокном оптический изолятор, описанный в гл. 4.

В датчиках, представляющих собой комбинацию лазерного источника света и многомодового оптического волокна, вследствие случайного преобразования мод в волокне на его излучающей торцевой поверхности могут возникать временные флюктуации спектра, т. е. спектральные шумы. Чтобы полностью избавиться от таких шумов, применяют одномодовое оптическое волокно.

В заключение кратко рассмотрим амплитудные и фазовые шумы лазера. Излучаемому лазером свету присущи временные флюктуации амплитуды, фазы и частоты напряженности электрического поля. При этом в силу корпускулярности электронов и фотонов возникает так называемый дробовой шум, а естественное излучение носит случайный характер -это так называемые квантовые шумы. Напряженность электрического поля лазерного луча с учетом квантовых шумов выражается как

£(/) = [Ло + Лд,(0]е"°+*<", (5.3)

где Ллг(0 и г5(<) - колебания амплитуды и фазы.

Амплитудные шумы можно уменьшить, если, как это показано на рис. 5.3, а, часть излучаемого лазером света детектировать, например, с помощью рш-фотодиода, а полученной разностью выходного и опорного напряжения воздействовать через цепь обратной связи на ток возбуждения лазера и таким образом стабилизировать интенсивность излучения. На рис. 5.3, б поясняется способ уменьшения фазовых шумов. Посредством интерферометра Фабри -Перо изменение частоты колебаний лазера преобразуется в изменение интенсивности излучения, и если этим сигналом интерферометра с помощью обратной связи воздействовать на ток возбуждения лазера, то можно уменьшить уровень фазовых шумов.

Способы компенсации дрейфа. Вследствие колебаний интенсивности излучения источника света, потерь в оптических разъ-140

емах, потерь связи различных частей датчика, а также потерь передачи по оптическому волокну возникает так называемый дрейф выходного сигнала датчика и увеличивается ошибка измерения. Ниже рассматриваются некоторые способы компенсации дрейфа.

1. Преобразование переменного тока в постоянный (рис. 5.4, а). Этот способ применим только в тех случаях, когда измеряемый сигнал представляет собой переменный ток. Мощность света, воспринимаемого детектором,

Р = Ро(1+т), (5.4)

где Ро - среднее значение мощности.

Теперь, отделив электрическими методами переменную составляющую выходного сигнала детектора, пропорциональную Ропг, от постоянной составляющей, пропорциональной Ро. можно измерить глубину модуляции т как величину, не зависящую от Pq, и тем самым повысить точность измерения.

2. Способ обратной связи (рис. 5.4, б). При этом способе постоянная составляющая выходного сигнала светового приемника сравнивается с предварительно установленным опорным напряжением и разностный сигнал применяется для обратной связи в процессе регулировки тока возбуждения светоизлучающего элемента, но только здесь - с целью стабилизации значения Ро. Схема проста, но обладает узким динамическим диапазоном, и, кроме того, возникает проблема с колебаниями спектра излучения из-за регулировки тока возбуждения. Этот способ применяется при работе с сигналом только переменного тока.

3. Способ двух выходных световых лучей (рис. 5.4, в). Этот способ применим только для датчиков, работающих с поляризованным светом. Мощность выходного сигнала детектора, воспринимающего световые лучи с поляризацией (Р) и (S),

Р( = Ро(1+т); Р( = Ро(1-т). (5.5)

В блоке обработки вычисляется отношение (PW- p(S))/(P(P) .p(S)) и выходное напряжение t/out после обработки сигналов становится пропорциональным m и не зависит от значения Pq. Этот способ рекомендуется использовать, когда измеряемой величиной является сигнал постоянного тока.

4. Метод двух длин волн (рис. 5.4, г). В светочувствительную часть датчика поочередно или одновременно подается световой сигнал с длиной волны ki, интенсивность которого модулируется измеряемым объектом, и с длиной волны Яг, интенсивность которого не модулируется; затем определяется отношение электрических напряжений, соответствующих выходным сигналам детектора. Этот метод аналогичен предыдущему и также удобен для измерения сигналов постоянного тока.