Волок он но оптический кабель

МдержиВающая металлическая ВстаВка Гайка Пластмассовое предохранительное кольцо

Часть разъема (уВеличено)

Флюоресцентное

Вещестбо

Сердечник из диоксида кремния

Волоконно-оптический кабель

Смола PFA Кремниебая смола

Постоянное -запоминающее / JT1 ЦШройстВо Цифробои АналогоЬыа ( I----jUj---------\ Выходной Выходной

I А Линза

Дефлектор

сигнал

Цифроаналогабый преоВразоВатель

светодиодный индикатор

Расщепитель лучей

ЧуВстВительная часть / Инфракрасный

Микрокомпьютер

Аналого-цшрроВой преобразователь

фильтр Предварительный усилительСВетобой детектор Рис. 5,8, Температурный датчик на основе люминесцентного излучения

фрагмой условий отражения света. Волоконно-оптический жгут состоит из передающих и принимающих волокон. Свет, вводимый в передающие волокна, отражается диафрагмой. При этом коэффициент связи между передающими и принимающими волокнами изменяется в соответствии с положением диафрагмы, которое, в свою очередь, зависит от давления. На рис. 5.9, б показана зависимость интенсивности принимаемого света от размещения приемных и передающих оптических волокон в жгуте и от зазора между торцом жгута и диафрагмой. Датчик давления используется в диапазоне, где зависимость интенсивности света от зазора сравнительно линейна. Опубликованы сведения о датчике давления, в котором используется

-100 О 100 гоо 300

Измеряемая температура, °С

Возбуждение

жгут диаметром 1,8 мм из 100 оптических волокон и диафрагма из нержавеющей стали толщиной 15 мкм. Этим датчиком измеряются давления до 2,7 X ХЮ* Па. Подобные датчики применяются для измерения давления жидких сред, например давления крови.

Конструкцию датчика давления такого типа можно несколько усовершенствовать и тем самым повысить точность измерения. На диафрагму наносится фотолюминесцентный материал, обеспечивающий излучение опорного света, а измерение производится по методу двух длин волн.

Датчик сдвига и колебаний с зондом из волоконного жгута. Для измерения сдвига и колебаний физических тел можно воспользоваться тем же принципом, что и в выщеописаином датчике давления с отражательной диафрагмой. Принцип действия датчика сдвига и колебаний поясняется на рис. 5.10. При измерениях сдвига до 100 мкм в области рабочих температур от -75 до 150 °С получена линейность ±5 % и максимальная разрешающая способность 0,014 мкм. Как датчик колебаний такая конструкция обеспечивает измерение в частотном диапазоне от постоянного тока до 200 кГц. Достоинство подобных датчиков - бесконтактный метод измерения.

Датчик давления с жидкокристаллическим зондом. На рис. 5.11 приведена схема датчика давления, в котором используется влияние давления на коэффициент рассеяния света жидким кристаллом. Применяя композиционный жидкий кристалл, состоящий на одну треть из холерестического кристалла и на две трети из нематического, можно измерять с хорошей линейной характеристикой давление до 4-10* Па. Недостаток таких датчиков - сильная зависимость выходного сигнала от температуры, поэтому необходима температурная компенсация.

Датчик ускорения на основе инерции плоской пружины. На рис. 5.12 представлена структурная схема датчика ускорения

500 600 нм излучение

Рис. 5.9. Датчик давления с отражательной диафрагмой

Диафрагма

Падаюш,ий Передающее Волош свет

Выходящий свет

Измеряемый объект

Зазор

Рис. 5.10. Датчик сдвига и колебаний с зондом из пучка волокон

Жидкий кристалл

Лазер

-010-

Световой детектор

Рис. 5.11. Датчик давления с волоконным пробником и жидким кристаллом

на его торце

Рис. 5.12. Датчик ускорения колебаний с инерционной системой на плоской пружине

Передатчик сбетовоео сигнала.

Приемнин сбетовоео сигнала.

Минролинзо/

Волокно

Пластина-

Пружина Груз Демтрер Вопонно

контактного типа, работающего на основе механической инерции. В чувствительной части датчика установлены круглая плоская пружина и груз. Это инерционная система. При частоте колебаний измеряемого объекта, достаточно низкой по сравнению с собственной частотой инерционной системы, получается, что сдвиг заслоняющей свет пластины, прикрепленной к грузу, пропорционален ускорению объекта. Если в стационарном положении установить край этой световой заслонки примерно по середине сечения луча, выходящего из микролинзы, то интенсивность проходящего света будет пропорциональна ускорению. Например, при выборе собственной частоты инерционной системы 3 кГц можно измерять ускорение от 0,1 до 40g с точностью ±5%. Подобные датчики ускорения уже нащли применение.

а) Кронштейн

Волокно

Масло для

Сердечник Оболочка / Непрозрачная решетка

Неподвижное Подвижное

оптическое волокно оптическое вопокно

Корпус

Рис. 5.13. Датчик звукового давления на основе осевого смещения волокон

Датчик звукового давления на основе осевого смещения волокон. В случае соединения двух оптических волокон с незначительным зазором потери передачи будут резко увеличиваться при осевом сдвиге этих волокон. На рис. 5.13, а представлена структурная схема датчика звукового давления (гидрофона), в котором используется зависимость потерь от осевого смещения. Если к одному из оптических волокон прикрепить груз, то в силу упругости волокна получится механическая инерционная система. При частоте звука выше собственной частоты [г инерционной системы груз неподвижен, поэтому осевое смещение волокна равно сдвигу держателя оптического волокна. А поскольку сдвиг пропорционален звуковому давлению, последнее можно измерять по интенсивности проходящего света. При многомодовом волокне с диаметром сердечника 63 мкм, грузе 9 мг (/г = 30 Гц) минимальное измеряемое звуковое давление 6-10 мкПа (75 дБ относительно 1 мкПа при Ро = = 100 мкВт, В=1 Гц). Если на торец оптического волокна диаметром D напылить равномерно расположенные непрозрачные полоски (решетку) шириной d (рис. 5.13, б), то чувствительность детектора возрастет в D/d раз. Современная технология позволяет легко сформировать решетку из полосок по нескольку микрон шириной. Например, при D = 63 мкм благодаря этой решетке можно увеличить чувствительность в 10... 20 раз. Разработан также датчик звукового давления, в котором вместо колебаний самого оптического волокна использу-

Передающее волокно

Светодиод

Сосуд с газом

Импульсный генератор

Впускное Выпускное отверстие отверстие

Анализатор спектра

Синхоонный усилитель

Световой детектор

Приемное волокно

Магнитофон-регистратор

Микрокомпьютер

ется колебание решетчатой световой заслонки в зазоре между двумя оптическими волокнами.

5.3.3. Датчики концентрации химических веществ. Датчик концентрации газа. На рис. 5.14 представлена структурная схема газового датчика. Свет, излучаемый лазером или свето-диодом, поступает в сосуд с измеряемым газом через многомодовое оптическое волокно. Из проходящих через газ световых волн будут поглощаться только те, которые входят в спектр поглощения этого газа. Таким образом, подавая (также с помощью многомодового оптического волокна) выходящий из сосуда с газом свет на световой детектор, можно определять род газа и измерять его концентрацию. На рис. 5.15 показаны рабочие спектральные области светоизлучающих приборов на основе AlGaAs, InGaAsP и светоприемных приборов на основе Si, Ge, а также спектр молекулярного поглощения для основных видов газов.

Подобные газовые датчики можно использовать для дистанционного наблюдения за степенью загрязнения атмосферы (газами N2O2, NHa, СН4 и др.) и за концентрацией горючих газов (СН4, СзНв и др.). Например, реализована система наблюдения за концентрацией газа СН4 на расстоянии более 20 км.

Фотодиоды,

лабинные

сротодиоды

Лазерные

диоды,

сбетодиоды

InQaAsP-lnP

AlGaAs-Qa/s

InaaAsSb-GuSb

H,0 на Щ H2O

"0,8

1,0 1,2 1,f 1,6 Дпина 6олнь1, мт

Рис. 5.15. Спектральные области, перекрываемые различными полупроводниковыми светоизлучающнми н светоприемиыми приборами, характеристики поглощения кварцевого оптического волокна и спектр поглощения для основных газов