Главная Случайная страница Контакты | Мы поможем в написании вашей работы! | ||
|
Обобщенная структурная схема оптоэлектрического преобразователя (рис.18-1) содержит источник излучения, оптический капал, приемник излучения и измерительную цепь.
Рис.18-1. Обобщенная структурная схема оптоэлектрического преобразователя
Измеряемая величина X воздействует непосредственно на источник излучения, изменяя параметры излучаемого потока Ф1 или па оптический канал, модулируя соответствующий параметр потока в процессе распространения излучения. Чаще всего под действием измеряемой величины изменяется интенсивность лучистого потока, например вследствие изменения температуры излучателя, пропускания, поглощения или рассеяния оптического канала, однако могут изменяться также фазовый сдвиг между электромагнитными колебаниями в двух лучах, вызываемый разностью оптического хода этих лучей, и частота и длина волны излучения, генерируемого источником.
Соответственно структурные схемы оптоэлектрическнх преобразователей могут быть разделены на три группы: схемы измерения интенсивности излучения, схемы измерения сдвига фаз и угла поворота плоскости колебании и схемы измерения частоты и длины волны электромагнитных колебаний оптического диапазона.
Непосредственное измерение частоты колебаний и угла сдвига между колебаниями оптического диапазона затруднено из-за отсутствия фотоприемников и электронных схем, быстродействие которых соответствует частотам 1014 — 1017 Гц. Схемы измерения частоты и фазы колебаний строятся в подавляющем большинстве случаев с предварительным преобразованием в интенсивность излучения или гетеродинным преобразованием частоты. Преобразования подобного рода требуют наличия источника когерентных колебаний, поэтому электрооптические преобразователи, в которых используется преобразование измеряемой величины X в угол сдвига, получили развитие только в последние годы, когда появилась возможность широкого использования лазеров.
Структуры оптоэлектрических преобразователей интенсивности излучения. В этих преобразователях используются три алгоритма работы: а) измерение потока Фх; б) измерение отношения потоков Ф1/Ф2, где в качестве одного из потоков, например Ф2, обычно используется образцовый (эталонный) поток ФЭ; в) измерение разности потоков
Ф1-Ф2
где Ф1=Фх, Ф2=ФЭ или Ф1=Ф10+ΔФ и Ф2=Ф20-ΔФ.
В качестве примера преобразователя, измеряющего непосредственно поток Фх, на рис. 18-2 показано схематическое устройство автоматического экспонометра для кинокамеры.
Рис.18-2. Схематическое устройство автоматического экспонометра для кинокамеры
Световой поток Фx, проходя объектив 1 и диафрагму 2 и отражаясь от зеркального обтюратора 3, попадает на фоторезистор В в отрезок времени, когда не происходит экспонирования пленки 5. Исполнительным механизмом служит измерительный механизм ИМ логометра, обмотка 6 подключена к источнику питания через резистор R, а обмотка 7 — через фоторезистор В. Обмотки в и 7 создают встречные вращающие моменты, поворачивающие рамку, соединенную с диафрагмой 2. Движение диафрагмы 2 происходит до тех пор, пока сопротивление фоторезистора В не станет равным сопротивлению резистора R, которое используется для установки параметров экспозиции. В качестве фотоприемника применяются сернистокадмневые, селениднокадмиевые и сульфидно-кадмиевые фоторезисторы, отличающиеся высокой чувствительностью, малыми габаритами и дешевизной.
Фотоэлектрические преобразователи широко используются для измерения перемещений. Особенно высокой чувствительностью обладают преобразователи с растрами. Геометрические структуры элементов, образующих растр, весьма разнообразны. Устройство преобразователя с плоскими параллельными растрами показано на рис. 18-3, а.
Рис.18-3. Устройство преобразователя с плоскими параллельными растрами
Между источником света и приемником располагаются два растра, один из которых неподвижен, а второй перемещается. Сопряжение двух растров позволяет получить картину идущих поперек штрихов светлых и темных полос, называемых комбинационными или муаровыми полосами. Высокая чувствительность к перемещению получается за счет того, что перемещение муаровых полос ΔY оказывается во много раз больше перемещения растра ΔХ. В частности, при сопряжении двух параллельных растров, развернутых под некоторым малым углом а, получается комбинация светлых и темных полос, в преувеличенном виде показанная на рис. 18-3, б.
Коэффициент оптической редукции:
Kред =ΔY/ΔХ (18.1)
такого сопряжения при равных шагах растров ω1=ω 2=ω равен Kред=1/sin α.
Измерительные цепи, позволяющие реализовать второй и третий алгоритмы, т. е. измерение отношения и разности световых потоков. Однако особенность оптоэлектрическнх преобразователей заключается в том, что при современной технологии изготовления фотоприемников трудно подобрать пару фотоприемников, обладающих совершенно идентичными характеристиками не только при начальных условиях, но и под действием всех влияющих факторов. Неидентичность характеристик, как известно, сводит на нет преимущества дифференциального и логометрического включений преобразователей, позволяющих существенно повысить точность измерения при использовании преобразователей с идентичными характеристиками. Для того чтобы избежать этого недостатка, в оптоэлектрических преобразователях используются структуры с одним фотоприемником и временным разделением поступающих на пего потоков. Измерительная схема подобного преобразования показана на рис.18-4.
Рис.18-4. Измерительная схема преобразователя
Пучок света источника 1 при помощи зеркал 2 разделяется на два потока Ф0 и Фx. Интенсивность потока Фх зависит от измеряемой величины (например, прозрачности объекта 3). С помощью модулятора осуществляется периодическое освещение фоторезистора ФП измеряемым Фx и опорным Ф0 потоками. Синхронно с движением шторки Шт переключается ключ К, с помощью которого на вход интегратора (ФП, конденсатор С, усилитель Ус) через фоторезистор ФП подается ток от положительного и отрицательного полюсов источника напряжения Е. При этом ток, пропорциональный измеряемому потоку, заряжает конденсатор С, а ток, пропорциональный опорному потоку, — разряжает его. В конце второго такта модуляции на выходе интегратора устанавливается напряжение U', которое измеряется указателем Ук. Напряжение:
U=Е(G0-Gx)/(СfКЛ) (18.2),
где G0=SФ0 и Gx =SФx — проводимости фоторезистора при освещении потоками Ф0 и Фх соответственно; S — чувствительность фоторезнстора; fКЛ — частота переключения ключа.
Рис.18-5, а. Схематическое устройство прибора бесконтактного контроля диаметра проволоки
Рис.18-5, б. Интенсивности верхнего и нижнего лучей
На рис. 18-5,а показано схематическое устройство прибора бесконтактного контроля диаметра проволоки. Световой поток, создаваемый источником 1, делится диафрагмой 2 с двумя отверстиями на два луча. Верхний луч частично перекрывается проволокой 3, нижний луч проходит через оптический клин 6. Матовая пластинка 4 рассеивает свет, чтобы облучение фотоприемника ФП было равномерным. Заслонка 7 колеблется между сдвинутыми отверстиями диафрагмы, модулируя световой поток па входе ФП. Если интенсивности верхнего и нижнего лучей не равны (рис.18-5,6), на выходе ФП появляется переменная составляющая напряжения, управляющая двигателем Д. Двигатель перемещает клин 6 до уравнивания интенсивностей лучей. Выходной величиной прибора служит угол поворота двигателя, отсчитываемый по шкале 5.
Схемы измерения фазового сдвига на частотах оптического диапазона.
Рис.18-6. Схема светодальномера
На рис. 18-6 приведена схема светодальномера, который состоит из генератора Г1 гармонических колебаний, полупроводникового.лазера Г, фотоприемника ФП и фазометра. Излучение лазера Г, модулированное по амплитуде, распространяется до уголкового отражателя УО, установленного на расстоянии Dx от дальномера. Отраженное излучение возвращается к фотоприемнику ФП. Время распространения волны до отражателя и обратно составляет:
t=2Dxn/c (18.3)
За это время фаза напряжения, питающего лазер, изменится на величину φx=ω0t=ω02Dxn/c, где ω0 — частота модуляции; n — показатель преломления среды. Сдвиг фаз φx измеряется с помощью фазометра.
Порог чувствительности современных промышленных высокочастотных фазометров составляет около 0,10, что при частоте модуляции f0=10 МГц и n≈1 соответствует Dxmin=4 мм. Стабильность результатов измерения определяется стабильностью частоты модуляции и постоянством условий на пути светового потока.
Рис.18-7. Принцип действия интерферометра Майкельсона
На рис. 18-7 показан принцип действия интерферометра Майкельсона, в котором для измерения фазового сдвига оптических колебаний использовано преобразование на основе явления интерференции фазового сдвига в интенсивность света. Интерферометр состоит из лазера Г, светоделителя СД, двух зеркал 31 и 32. Пучок света Ф0 проходит через светоделитель СД и разделяется на два пучка Ф1 и Ф2, которые, отразившись от зеркал, вновь попадают на светоделитель, где объединяются и интерферируют. Полученный в результате интерференции пучок света Ф преобразуется фотоприемником ФП. Разность фаз φ зависит от разности длин оптического пути:
φ=2π(l 1- l 2)/λ (18.4)
и длины волны λ излучения. Предположим, что под действием измерь величины зеркало 31 переместилось на расстояние l x от исходного положения, определяемого расстоянием l 0= l 1= l 2. В этом случае фаза изменится на величину φx=2π l 1/λ=2πNx, где Nx= l x/λ — общее число полных периодов фазы, укладывающихся на отрезке l x.
Таким образом, считая число экстремумов функции U=0,5U0(1+cos2π l x/λ) и зная длину волны >. излучения, можно измерить перемещение l x.
На рис. 18-8 показан принцип действия пьезооптического преобразователя механических напряжений, основанного на явлении фотоупругости.
Рис.18-8. Принцип действия пьезооптического преобразователя механических напряжений
Первоначально изотропный упругий чувствительный элемент в виде прямоугольной прозрачной призмы 3 находится в условиях одноосного напряженного состояния под действием силы Fx, Пучок света от источника 1 поляризуется поляризатором 2 (например, поляроидной пленкой) в плоскости, наклоненной под углом 45° к направлению главной деформации, которое в данном случае совпадает с направлением действия силы Fx. Поляризованные лучи А и В проходят через упругий элемент 3 и фазовую пластину 4 на анализаторы 5А и 5В, один из которых скрещен с поляризатором 2, а второй параллелен ему. После анализаторов лучи А и В падают соответственно на фотоприемники 6А и 6В.
Интенсивность света, попадающего па приемник 6В, определяется выражением
I1=I0sin2[(2πΔ/λ+α0)/2] (18.5).
Интенсивность света, попадающего на приемник 6B — как I2=I0cos2[(2πΔ/λ+α0)/2], где α 0 — фазовый сдвиг, вносимый пластиной 4. Зависимость разности хода Δ от деформации ε11 определяется как:
(18.6),
где n0 - показатель преломления фотоупругого материала в ненапряженном состоянии; l - длина образца в направлении просвечивания; р11 и р12 — упругооптические коэффициенты, являющиеся тензорами четвертого ранга. Выходное напряжение диагонали моста, в который включены фотоприемники, пропорционально разности их освещенностей:
UBЫХ=UA-UB=kI0cos(2πΔ/λ+α0) (18.7)
При α0=π/2 и малых α=2πΔ/λ можно считать cos(π/2+α)≈α и .
На основе пьезооптических преобразователей в МГУ им. М. В. Ломоносова (Институт механики) разработан ряд приборов: датчики давления, акселерометры, силоизмерители, тензометры. В частности, пьезооптические акселерометры имеют предел измерений 50—1000 g при собственной частоте 4—15 кГц, порог чувствительности около 10-4 (от предела измерений) и погрешности 0,2—1,5%. При измерении статических величин температурная погрешность cоставляет 0,1 % /К (дрейф нуля) и 0,05—0,1 % /К (изменение чувствительности).
На рис. 18-9 показан принцип действия устройства “Трансоптик”, предназначенного для дистанционного измерения тока в линиях электропередачи.
Рис.18-9. Принцип действия устройства “Трансоптик”
“Трансоптик” представляет собой измерительную систему с фарадеевским датчиком 1 (стеклянный стержень из тяжелого флинта), размещенным вблизи провода 2 линии электропередачи, в которой требуется измерить ток IХ. Плоскополяризованное излучение Ф0 от лазера 3 проходит в стержень 1 и, отразившись от торца с зеркальным покрытием, возвращается на землю к приемной части.
Приемная часть системы содержит компенсационный фарадеевский датчик 4 с обмоткой, подключенной через резистор 5 и амперметр к выходу усилителя 6; два фотодиода 7 и 8, подключенных к инвертирующему и неинвертирующему входам усилителя 6, и бианализатор 9, световые потоки Ф1 и Ф2 на выходе которого равны, если в системе не происходит поворота плоскости поляризации. При прохождении светового луча через датчик 1 плоскость поляризации луча поворачивается на угол ψ, пропорциональный напряженности Нx и, следовательно, току Ix. В компенсационном датчике 4 ток Iк направлен так, что сводит эффект вращения плоскости поляризации в датчике 1 к нулю, т. е. ψх-ψк =0. При идентичных оптических элементах датчиков 1 и 4 ψх=ψк при Iк=Ix/ωк, где ωк — число витков датчика 4. Подобные системы называют иногда оптикоэлектронными трансформаторами тока.
Схема измерения частоты и длины волны излучения оптического диапазона. На рис. 18-10 показана структурная схема преобразователя с гетеродинным преобразованием частоты.
Рис.18-10. Структурная схема преобразователя с гетероидным преобразованием частоты
Преобразователь содержит источник опорного сигнала ИОС частоты ν0, светоделитель СД, фотоприемник ФП, усилитель Ус и частотомер. На светоделитель поступают два пучка света: пучок света, частоту которого ν х нужно определить, и опорный пучок. Эти пучки складываются и посылаются на фотоприемник. Световой поток, поступающий на фотоприемник, кроме постоянной составляющей Ф, содержит низкочастотную составляющую:
Ф(t)=Фmcos(νx-ν 0)t (18.8).
Если разностная частота νBЫХ=νx-ν 0 находится в полосе пропускания электронной схемы, то измерение этой частоты частотомером при известном значении ν0 позволяет найти νx=ν ВЫХ +ν0.
Устройства с интерференционным преобразованием частоты строятся на базе интерферометров с использованием модуляции излучения по частоте.
Дата публикования: 2014-11-26; Прочитано: 608 | Нарушение авторского права страницы | Мы поможем в написании вашей работы!