Светодиод

Схема возбуждения светодиода

Рис. 5.4. Способы компенсации дрейфа датчика: а -преобразование «переменный ток - постоянный ток»; б - метод обратной связи; в - метод двух выходных световых лучей; г--метод двух длин волн

Фотодиод

Предварительный усилитель

- N I» Усилитель

Низкочастотный Ц фильтр

Усилитель! постоянного тока

Делитель

Напряжение установки тока возбуждения светодиода

П реоб ра 30 ва тел ь эффективного значения сигнала

Выходной сигнал постоянного тока

Светодиод

Выходной сигнал переменного тока

Фотодиод

Предварительный усилитель

Усилитель

Н изкочастотн ый фильтр

Преобразователь

эффективного значения сигнала

Выходной сигнал ПОСТОЯННОГО тока

Выходной сигнал переменного тока

Поляризующий материал

Анализатор

Четвертьвопновая . пластина

Поляризатор

Схема возбуждения светодиода

Предварительный и главный усилитель

Операционная схема (разность)

Выходной сигнал постоянного тока

Операционная схема (сумма)

Делитель

П реобразователь •у\ эффективного значения сигнала

Выходной сигнал переменного тока

Схема возбуждения светодиода

Схема возбуждения светодиода

Соединитель Ответвитель

Оптическое волокно

Блок обработки и индикации сигнала

Чувствительный элемент

выходной сигнал

5.3. ДАТЧИКИ НА ОСНОВЕ ИЗМЕНЕНИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ СВЕТА

5.3.1. Температурные датчики. Датчики на основе теплового излучения. Вещество при температуре Т>0 К вследствие тепловых колебаний атомов и молекул испускает энергию теплового излучения. Энергия теплового излучения на длине волны К, испускаемая черным телом при температуре Т, выражается формулой Планка (в единицах Вт-м--ср-)

= CiX-* {exp МЯТ)]-(5.6) где Ci и сг - постоянные коэффициенты.

На рис. 5.5 показана зависимость этой энергии от длины волны при различной температуре тела. Из рисунка видно, что по мере повыщения температуры энергия излучения увеличивается, а длина волны Km, на которой излучение максимально, уменьшается. Суммарная энергия излучения (в ваттах на квадратный метр) получается путем интегрирования вышеприведенного выражения по всем длинам волн:

(5.7)

где 0 = 5,7- 10-8 Вт-м-2-К- маиа.

Между Km и Т существует зависимость К„Т = 2,9-10- м-К.

постоянная Стефана - Больц-

(5.8)

Из формул (5.6) и (5.7) на фиксированной длине Кш или в диапазоне волн можно определить температуру. Однако энергия теплового излучения любого тела зависит от вещества и состояния поверхности тела, поэтому для отличия этой энер-

0, 0,6 0,8 1 I ¥ 6 в 10 Длина болны, мнм

го 30

Рис. 5.5. Связь температуры абсолютно черного тела и интенсивности излучения

птп,

\ Оптический сканер Нонтроллер волононно-оптический Msyni\, \ , оптического

Воздушная . проаубка \Л

долоконно- оптический зонд

Сляб Волокон но- воз

оптический продч/ка зонд

Q Центральный процессор

- N Абтокатическое Усилитель у„раблемие усилением

Рис. 5.6. Пример использования волоконно-оптического радиационного термометра в черной металлургии

гии от энергии излучения черного тела вводится коэффициент е, характеризующий излучательную способность. Например, для полированной поверхности алюминия е = 0,06, для полированной поверхности стекла е«=0,95. Чтобы уменьшить погрешность измерения, возникающую из-за неравенства е единице, обычно пользуются методом двух цветов. При этом измеряется интенсивность излучения на двух длинах волн, входящих в спектр излучения, и по их соотношению определяется температура. Преимущество способа - возможность бесконтактного измерения высоких температур.

В зависимости от диапазона измеряемых температур выбираются световые детекторы и оптические волокна. Обычно для температур выше 600 °С в качестве детектора применяются кремниевые элементы, а для температур ниже 600 °С - элементы на основе германия, соединения PbS и т. д. Диапазон прозрачности оптического волокна из кварцевого стекла 0,4... 2,0 мкм, поэтому область измеряемых температур для волоконно-оптического измерителя излучения простирается примерно от 400 до 2000 °С. При измерении более низких температур необходима разработка оптических волокон, прозрачных для инфракрасных лучей с длиной волны 2 мкм и более.

На рис. 5.6 представлена структура волоконно-оптического измерителя температуры через излучение, предназначенного для слежения за непрерывным процессом литья в черной металлургии. Свет, излучаемый горячей отливкой, воспринимается термостойкими кварцевыми стержнями светового детектора, расположенными в ряд, и посылается с помощью волокон в твердой оболочке к измерительному окошку. Здесь производится сканирование каждого волокна, связанного со стержнями светового детектора, и далее сигнал обрабатывается по методу двух цветов. Таким образом производится контроль и наблюдение за распределением температуры в изделии.

Светодиод 1 Т.<Тг<Т, I

KJT)

Светодиод г

Опорная три5ка долото - Ьопото

Полупроводник

Схема Возбуждения

Генератор импульсов.

Выходной Делитель сигнал .-. .-

Оптический ответвитель

pemoSuoS KAlQaAs)

Сбтоприемнин

Лаеарисрмический преоЬразобатепь / Схема нвантобанш и запоминания

ГеритиеВыа лабитый фотодиод

Усилитель

. Х,0,88м/(м

К-1,Птм Термочуб--\сгпвше/1ьный оптический элемент

j Оптические

I разъемы Г

Рис. 5.7. Температурный датчик на основе поглощения света полупроводником

Датчик на основе поглощения света полупроводником. На рис. 5.7 приведена структура и поясняется принцип действия температурного датчика, работа которого базируется на оптических свойствах полупроводников типа GaAs, CdTe и т. д. Полупроводник имеет граничную длину волны "kg спектра оптического поглощения (рис. 5.7, а), и для света с более короткой длиной волны, чем %g, поглощение усиливается, причем по мере роста температуры граничная длина волиы %g отодвигается в сторону более длинных волн (примерно 3 А/К). Если полупроводниковый кристалл зажать между приемным и передающим оптическими волокнами (рис. 5.7, б) и подать на него

луч от источника света, имеющего спектр излучения в окрестности указанной границы спектра поглощения, то интенсивность света, проходящего через светочувствительную часть датчика, с повыщением температуры будет падать. Таким образом, по выходному сигналу детектора можно мерить температуру. Для снижения погрещности измерения, обусловленной колебаниями потерь в оптических соединителях, потерь передачи и другими факторами, можно воспользоваться двухволно-вым методом, описанным в п. 5.2.3.

Структурная схема датчика приведена на рис. 5.7, в. Используя в качестве термочувствительного материала GaAs, в качестве источника оптического сигнала AlGaAs-светодиод (1 = 0,87 мкм), а источника опорного света - InGaAsP-свето-диод (2=1,3 мкм), можно измерять температуру в интервале 30...300 °С с погрещностью ±0,5 °С и временем отклика около 2 с. В данном устройстве используется многомодовое оптическое волокно с тефлоновой оболочкой. Подобный датчик нащел практическое применение для измерения температуры проводов линии электропередачи и температуры обмотки высоковольтного трансформатора в рабочем режиме.

Датчик на основе флюоресценции. Светочувствительная часть температурного датчика, работающего иа основе флюоресцентного излучения, и его структурная схема приведены на рис. 5.8, а, б.

На торец оптического волокна светочувствительной части нанесено флюоресцентное вещество [(Gclo,99Euo,oi)202S]. Флюоресцентное излучение, возникающее под воздействием ультрафиолетовых лучей, проводимых оптическим волокном, принимается этим же волокном (см. рис. 5.8, в). Для спектральных составляющих флюоресцентного излучения характерно изменение по кривой р (при Я-=510 нм), т. е. сильная зависимость от температуры, и по кривой а (при Я = 630 нм), т. е. слабая зависимость от температуры, а температурный сигнал выявляется путем вычисления отнощения соответствующих значений иитеисивиости р/а (метод двух длин волн). Сообщается, что область измерения таким температурным датчиком простирается от -50 до 4-200 °С с погрещностью ±0,1 °С и временем отклика не более 1 с.

Кроме выщеописаиного, известны температурные датчики, работающие иа основе температурной зависимости коэффициента отражения для светового луча в жидком кристалле, а также датчики, в которых используется изменение спектра прозрачности из-за температурной зависимости длины волны перескока в резонаторе Фабри - Перо.

5.3.2. Датчики механических величин. Датчик давления с отражательной диафрагмой. На рис. 5.9, а представлена структура датчика давления, в котором используется изменение диа-