напряжения не более 0,5 % при входном измеряемом напряжении от нескольких вольт до 300 В. Температурная нестабильность выходного сигнала не превышает ±0,5% для BGO-датчика и ±3% для BSO-датчика в диапазоне от -10 до-85 °С. Оба типа датчика нашли применение.

Датчик на кристаллах тригональной системы. На рис. 5.24, б приведена структура оптического датчика отражательного типа для измерения напряженности электрического поля. Свет входит через поверхность (001) кристалла LNO, распространяется вдоль оси <001>. Электрическое напряжение прикладывается вдоль оси <100>. Разность фаз, возникающая при этом между двумя световыми модами с линейной поляризацией, выражается как

2я 3 L

(5.17)

где d - толщина элемента Поккельса в направлении приложения электрического поля.

В такой конструкции при L = 10 мм, d = 2 мм и Uex=bO В отношение сигнал - шум равно 50 дБ, частотная полоса В = = 10 кГц и погрешность выходного напряжения не более ± 1 % (при изменении входного напряжения от О до 200 В). Однако, чтобы погрешнрсть не увеличивалась в температурном диапазоне от -20 до 120 °С, приходится подстраивать осевое отклонение выходного луча и угол его расширения в пределах 0,1° и тем самым ограничивать влияние естественного двойного лучепреломления, свойственного кристаллу LNO.

5.4.3. Датчики давления и ускорения. Датчик давления. Под действием давления в фотоупругих материалах возникает двойное лучепреломление. Структура датчика, в котором используется это явление, представлена на рис. 5.25, а. Давление на фотоупругий элемент приводит к тому, что входящий в него линейно поляризованный свет на выходе имеет уже круговую поляризацию. Следовательно, световая мощность, измеряемая с помощью светового детектора, выражается подобно формуле (5.16) как

РРо(1+з1пя),

(5.18)

где Г -измеряемое давление; Г„ - полуволновое давление.

• Эффект фотоупругости присущ всем материалам, но здесь будут рассмотрены датчики на основе некристаллических материалов, обладающих высокой фотоупругостью. Для таких материалов полуволновое давление

r„ = V(CL). (5.19)

Параметр С называется постоянной фотоупругости (табл. 5.4) и определяется коэффициентами преломления

Многомодовое волокно

Микролинза Светочувствительная Груз Микролинза часть

Светоизлучающее устройство

Светоприемное устройство

Поляризатор Фотоупругий элемент

Четвертьволновая

/гий I Анализатор

Pi + Рг

ТВыходной " сигнал

Рис. 5.25. Датчики давления (а) и ускорения (б) иа основе эффекта фото-упругости

Таблица 5.4. Постоянная фотоупругости типичных некристаллических материалов

среды, оптической деформации и упругости:

- P12) (Su-S12), где Pij и Sij - соответственно коэффициент оптической деформации и коэффициент упругости вещества.

Для фотоупругого элемента датчика выбирается материал без естественного двойного лучепреломления, без остаточного напряжения давления и с хорошей температурной характеристикой. Кроме того, требуется равномерная передача измеряемого давления от принимающей его поверхности на фотоупругий

Светочувствительная Фотоупругий часть Давление элемент

V ПоляризаторП / Анализатор

элемент. При использовании волокна с центральной длиной волны 0,82 мкм и фотоупругого элемента из пирекс-стекла с оптической длиной пути L = 0,6 см получается 7,, = 2,1-Ю Па. Диапазон измерений 10-... 10 Па. Теоретический минимальный уровень измеряемого давления 1,4 Па (Ро = 0,38 мкВт, В = = 1 Гц). Для компенсации дрейфа можно воспользоваться методом двух оптических выходов.

Датчик ускорения. На рис. 5.25, б приведена структурная схема датчика ускорения, работающего по тому же принципу, что и датчик давления. Здесь также груз прикреплен непосредственно к фотоупругому элементу. При колебаниях на фотоупругий элемент действует сила, пропорциональная произведению массы груза на ускорение, что приводит к двойному лучепреломлению. Если к фотоупругому элементу из эпоксидной смолы прикрепить груз 25 г, го можно мерить ускорения 0,1...30g с точностью ±1 % для колебаний с частотой 0...3 кГц. Если же массу груза увеличить до 280 г, то минимальное измеряемое ускорение будет 0,01g (при отношении сигнал - шум 40 дБ), а частотная полоса В = 500 Гц.

5.5. ДАТЧИКИ НА ОСНОВЕ СДВИГА ЧАСТОТЫ СВЕТА

С помощью датчиков на основе сдвига частоты света определяется изменение частоты света, обусловленное объектом измерения. Измерение производится высокоточными методами светового гетеродинирования (интерферируют две световые волны разной частоты, а сигнал разностной частоты детектируется) и спектрального анализа. Типичным образцом датчика на основе сдвига частоты света может служить лазерный доплеровский волоконно-оптический измеритель скорости, а поэтому именно он и рассматривается в данном параграфе.

5.5.1. Принцип действия и основная схема. При освещении движущегося тела лучом лазера рассеиваемый телом свет приобретает сдвиг по частоте (эффект Доплера). Частотный сдвиг выражается следующей формулой:

fn--- (5.20)

где ко и ks -волновые векторы падающего и рассеянного света; V - вектор скорости движущегося тела.

Датчик, в котором используется эффект Доплера, а для зонда с лазерным излучателем и для зонда детектора рассеянного света применяется оптическое волокно, называется лазерным доплеровским волоконно-оптическим измерителем скорости. В зависимости от структуры < оптической системы такие датчики можно разделить на два вида: с опорным светом и дифференциальные (рис. 5.26).

- Измеряемый объект

Волоконно-оптический зонд

Детекторный блок

He-Ne-пазер

Усилитель

- Измеряемый объект

Детекторный блок

Не-Не-лазер

Световой детектор

Усилитель

Блок обработки сигнала

Рис. 5.26. Лазерный доплеровский измеритель скорости

В лазерном доплеровском измерителе скорости (LDV - Laser Doppler Velocimeter) с опорным светом лазерный луч освещает измеряемый объект через волоконно-оптический зонд. Этим же зондом принимается свет обратного рассеяния. Частотный сдвиг света в результате эффекта Доплера

cose.

(5.21)

где "к - длина волны лазера; 9 - угол между лазерным лучом и вектором скорости объекта.

Измеряемый сигнал, имеющий частоту Доплера, получается путем гетеродинного обнаружения световым детектором лучей рассеяния и опорного света, пришедшего в детектор в результате френелевского отражения от торца зонда.

В лазерном доплеровском измерителе скорости дифференциального типа измеряемый объект освещается посредством

волоконно-оптических зондов 1 н 2 (рис. 5,26), а рассеянный свет, получивший в результате взаимодействия с объектом положительный и отрицательный, но равный сдвиг частоты, принимается волоконно-оптическим зондом 3. В детекторе путем ге-теродинирования этих световых лучей получается доплеровсКий сигнал измерителя. Частота биений, возникающая в результате гетеродинного обнаружения.

2v . б -Sin-

(5.22)

где б -угол между двумя лазерными лучами.

После измерения fb можно по формуле (5.22) определить скорость V.

Как видно из формул (5.21) и (5.22), сдвиг частоты зависит от угла освещения (6, б) измеряемого объекта лучом лазера, а следовательно, требуется точная настройка оптической системы. Необходимо также учитывать, что в данных измерителях скорости используется явление рассеяния лазерного светового луча измеряемым объектом, поэтому чувствительность обнаружения твердого тела зависит от его цвета, степени глянца, чистоты обработки поверхности, температуры и других факторов, а сыпучего тела - от размеров зерен, их формы, цвета и т. д.

5.5.2. Влияние* степени когерентности источника света на чувствительность обнаружения. Лазерные доплеровские измерители по сути являются интерферометрами, поэтому их чувствительность обнаружения в большой мере зависит от степени когерентности лазерного источника света. Спектр мощности <ib> сигнала биений, получаемого световым детектором при использовании лазера с одномодовыми продольными колебаниями и шириной спектральной линии Av, выражается как

(ib) ~ ехр (-2nAv [Trf (),

(5.23)

где Td -временной интервал (задержка) между двумя лучами, проходящими от источника света к световому детектору (например, в лазерном доплеровском измерителе скорости это опорный и сигнальный лучи интерферометра).

Устройства, в которых источником света является лазер с многомодовыми продольными колебаниями, обладают низкой чувствительностью обнаружения, поскольку обычно возникают сигналы биений для каждой поперечной моды, различные по фазе. При одинаковой ширине линий спектра излучения каждой продольной моды Av и частотном интервале между смежными продольными модами Ды спектр мощности сигналов биений

(i(,)-exp(-2nAvT)

Z А/, ехр[-

-/ (k-l) AwXd]

(5.24)

Здесь - число продольных мод; А - нормированная выходная мощность k-й продольной моды.

Понятно, что при Д(1)т=2тл (т - целое число) сигналы биений для каждой моды будут иметь одинаковые фазы и эта формула превратится в предыдущую, а именно (ib) ~ ехр (-2nAv х X тсг), т. е. в этом случае можно получить такую же чувствительность обнаружения, как и с лазером одномодовых колебаний. На рис. 5.27 показана зависимость мощности сигнала биений от разности h-k оптической длины пути для лучей (эта разность равна XdC, где с - скорость света внутри оптического волокна) в лазерном доплеровском измерителе скорости дифференциального типа (аргоновый лазер с 45 модами излучения). Можно видеть, что чувствительность обнаружения периодически резко возрастает.

5.5.3. Измеритель скорости твердых тел. Лазерный допле-ровский измеритель скорости, который показан на рис. 5.26, уже применялся на практике. В нем источник света - гелий-неоновый лазер (излучаемая мощность 2 ... 25 мВт, Х, = 632,8 нм), оптическое волокно из кварцевого стекла GI, световой детектор - кремниевый лавинный фотодиод. Кроме того, в частотном анализаторе сигналов биений используется система слежения за частотой. На конце каждого волоконно-оптического пробника имеется оптимально спроектированная линза, позволяющая уменьшить погрешность измерений. Диапазон измерений определяется в основном углом освещения (6, 6) и частотной полосой процессора сигнала. В данном случае диапазон измеряемых скоростей от 1 до 200 м/мин, а точность измерений ±0,2 %.

Лазерный доплеровский измеритель скорости широко применяется как датчик скорости потока продукции, датчик системы управления на различных предприятиях черной и цветной металлургии, по производству бумаги, пленки и т. д. На рис. 5.28, а приведена система с датчиком скорости для линии проката черных металлов. Путем измерения скорости до и после прохождения прокатного стана определяется с высокой точ-

Рис. 5.27. Зависимость амплитуды сигнала биений от разности оптической длины пути для двух лучей в волоконно-оптическом лазерном доплеровском измерителе скорости

Аргоновый лазер, JV = 45. Р(!=0,1 Вт (на зонд), одномодовое волокно, v= = 9,8 м/с

о 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3

(Ц-12),м