Сбетодиодь!/, pin-cpbmoi

0 Wo BOO 1000

Длина болны, тм

Волоконный пучок

"о

Красные нровяные тельца

Рис. 5.16. Принцип действия (а) и структура (б) датчика насыщенности

крови кислородом НЬ - гемоглобин

Для повышения точности измерений здесь также можно применять метод двух длин волн.

Датчик насыщенности крови кислородом. Измерение насыщенности крови кислородом необходимо при исследованиях и лечении болезней систем кровообращения и дыхания. Как следует из рис. 5.16, а, гемоглобин красных кровяных телец имеет различный характер изменения коэффициента отражения в зависимости от степени насыщенности кислородом для световых волн различной длины. Например, в диапазоне 620...650 нм зависимость сильная, а для волн 800...850 нм - слабая. На рис. 5.16, б приведена структурная схема датчика, работающего именно на этом принципе. Здесь используется кабель из оптических волокон, имеющий три ветви: две для двух источников света на светодиодах, различающихся длиной волны излучения, а одна -для светоприемного рш-фотодиода. Датчик обеспечивает точное измерение насыщенности кислородом, благодаря тому что вычисляется отношение выходных электрических сигналов, полученных на двух длинах световых волн.

На основе этого же принципа можно измерить концентрацию кристаллического вещества, введенного в кровь (например, зеленого индоцианина), или такие параметры, как рН, рОг, рСОг и т. п.

5.3.4. Оптоэлектрические переключатели. Прерыватель (опт-рон). Если световой луч проходит через какое-либо физическое тело, то возможно прерывание или отражение луча. На этих явлениях основана работа волоконно-оптических прерывателей (рис. 5.17). В продаже уже имеются различные прерыватели со скоростью реакции примерно 0,5 мс, интервалом срабатывания около 30 мкм и дистанцией срабатывания в несколько десятков миллиметров. Волоконно-оптические прерыватели имеют простую конструкцию и при соответствующих схемах обработки

а) Оптическое Волокно

Объект обнаружения

Рис. 5.17. Прерыватель просвечивающего (а) и отражающего (б) типа

Оптические волонна со стержневыми

линзами Диск Щели

Рис. 5.18. Кодер угла поворота

сигнала, характеристиках светоизлучающих и светоприемных приборов находят весьма широкое применение, например для счета изделий, последовательного контроля, маркировки, обнаружения дефектов, для систем безопасности. Кроме того, на базе волоконно-оптических прерывателей разработаны уровнемеры для нефти и химических продуктов, дискретные измерители температуры, кодеры и другие устройства.

Кодер. Кодер, выполненный на основе волоконно-оптического прерывателя, можно эффективно использовать для устройств считывания с перфокарт и с перфоленты. Волоконно-оптический кодер, показанный на рнс. 5.18, применяется, например, для цифрового кодирования линейного перемещения и угла поворота оси вращения в системах контроля роботов и станков с цифровым управлением. На этом же принципе можно создать конструкцию волоконно-оптического измерителя направления и скорости ветра.

5.3.5. Датчики изображения. Лучевод для передачи изображения. Оптические волокна, передающие изображение (точнее, информацию о двухмерном изображении),-так называемые лучеводы для передачи изображения - применяются для оптических измерений. Лучевод представляет собой кабель из множества оптических волокон или конструкцию из множества сердечников с общей оболочкой (рис. 5.19). В любом случае диаметр лучевода изображения - в пределах 10 мм. При этом в многосердечниковом лучеводе диаметр каждого сердечника составляет 4... 12 мкм, а в лучеводе типа многожильного кабеля каждое оптическое волокно имеет диаметр 14...30 мкм, поэтому плотность элементов изображения в первом выше. Разработан, например, высокоапертурный многосердечниковый лучевод изображения, в котором апертура ЛЛ = 0,4, диаметр сердечника 5,8 мкм, а плотность изображения - 35000 элемен-

Сердечник Оболочка

Сердечники Оболочка из смолы

Рис, 5.19. Лучевод изображения: а - общая схема; б - многосердечникового типа; в - пучкового типа

тов на квадратный миллиметр. Что касается возможной длины лучеводов, то многосердечниковые обычно достигают 100 м, а многожильные- 5... 10 м.

Индикатор. Устройство, включающее в себя лучевод изображения с объективами на обоих концах, а также в зависимости от цели применения - осветительное оптическое волокно, называется волоконно-оптическим индикатором. Подобные устройства удобны для исследований в медицине и для систем

Печь

Телевизионная камера

Рис, 5.20. Система наблюдения за высокотемпературной печью: а - электронно-лучевая; б - светолучевая (волоконно-оптическая)

контроля в промышленности. Особенно важно применение волоконно-оптических индикаторов в качестве датчиков изображения там, где затруднительно введение телевизионной камеры и невозможно нахождение обслуживающего персонала или роботов (например, некоторые участки, цехи и оборудование атомных электростанций, заводов металлургической и газовой промышленности). На рис. 5.20 поясняется применение подобного датчика для наблюдения за процессами в печи. В стене печи оборудуется маленькое (диаметром около 20 мм) окошко, в которое вводится лучевод изображения. К наружному концу лучевода, на достаточно безопасном расстоянии от печи присоединяется камера промышленного телевидения.

5.4. ДАТЧИКИ НА ОСНОВЕ ПОЛЯРИЗАЦИИ СВЕТА

В настоящем параграфе описываются датчики, в которых используется модуляция измеряемым объектом поляризации света. Типичные примеры - датчик магнитного поля на основе эффекта Фарадея, датчик электрического поля на основе эффекта Поккельса, датчик давления на основе эффекта фотоупругости.

5.4.1. Датчик магнитного поля. Эффект Фарадея. Этот эффект заключается в том, что под воздействием магнитного поля, вектор напряженности которого совпадает с направлением света, наблюдается поворот плоскости поляризации света, проходящего через вещество. Угол фарадеевского вращения ф-при напряженности магнитного поля Я, длине светового пути в веществе L выражается как

фр = У,Я1. (5.9)

Здесь величина Vr, называемая постоянной Верде, характеризует активность эффекта Фарадея для данного вещества.

На рис. 5.21 приведена структурная схема датчика магнитного поля. Световые лучи передаются от источника света

Светоизлучающее устройство

Светодиод

Магниточувствительная оптическая часть

Выходной

сигнал Депи.

Усипитель переменного тока

Усилитель постоянного тока

Светоприемное устройство

Поляризатор Элемент Анализатор Светодетектор Р"

Многомодовое оптическое волокно

Рис. 5.21. Датчик магнитного поля на основе эффекта Фарадея

(обычно светодиода) в светочувствительную часть датчика с помощью многомодового оптического волокна. В чувствительной части световая волна с линейной поляризацией попадает через поляризатор в элемент Фарадея, где под воздействием магнитного поля происходит поворот плоскости поляризации. Значение угла поворота (рр преобразуется анализатором в значение интенсивности света, и далее свет передается оптическим волокном в светоприемное устройство. При этом, если установить угол между поляризатором и анализатором 45°, то световая мощность на поверхности детектора (обычно рт-фото-диода)

Р=Ро(1+51Пфр),

(5.10)

где Ро - мощность света при отсутствии магнитного поля.

Как видно из формулы, магнитное поле можно измерять по электрическому сигналу детектора. Для компенсации дрейфа измеряемого сигнала при переменном магнитном поле используется преобразование «переменный ток-постоянный ток», а прн постоянном поле -метод двух выходных световых лучей (см. рис. 5.21).

Материалы для элемента Фарадея. Характеристики материалов с эффектом Фарадея приведены в табл. 5.2. Среди них на практике особенно важны диамагнитные материалы, такие, как свинцовое стекло, Bii2Ge02o(BGO), Bii2Si02o(BSO) и другие, отличающиеся слабой температурной зависимостью характеристик, а также ферромагнитные: (Tbo,i9Yo,8i)3Fe50i2- в виде объемных монокристаллов, (YSmLuCa)3(FeGe)50i2 - в виде тонких эпитаксиальных пленок и другие, для которых характерна температурная стабильность свойств.

Рассмотрим основные моменты, связанные с проектированием датчиков, в которых применяются оптически активные и ферромагнитные материалы. В оптически активных веществах, наподобие диамагнетиков BGO, BSO и других, поворот плоскости поляризации происходит за счет не только эффекта Фарадея, но и оптической активности. Поэтому угол поворота <р будет выражаться суммой:

Ф = У,Я1 + е1, (5.11)

где 6а - оптическая активность.

В ферромагнитных материалах вследствие высокой намагниченности насыщения AnMs эффект Фарадея проявляется

В оптически активных материалах вследствие различия коэффициента преломления для света с левой и правой круговой поляризацией возникает эффект, подобный эффекту Фарадея. Если луч, прошедший сквозь такое вещество, отражается и проходит сквозь вещество ице раз, то в результате плоскость поляризации луча возвращается в исходное положение.

Таблица 5.2. Основные характеристики типичных материалов с эффектом Фарадея

Парамагнетики

Ферромагнетики

сильнее. Тогда в зависимости от соотнощения между напряженностью внещнего магнитного поля и намагниченностью насыщения угол поворота определяется следующим образом:

- ,5.12,

4nMs

где rj3s -угол поворота при H = AnMs.

Следовательно, при проектировании датчиков магнитного поля на основе выщеописанных материалов можно воспользоваться формулой (5.10), подставив в нее выражение <р по формуле (5.11) или <pF по формуле (5.12).