Главная Преобразователи механических величин



приемник ФД. При подаче давления мембрана прогибается, уменьшая зазор, что приводит к частичному нарушению полного внутреннего отражения. Зависимость отраженного светового потока от прогиба мембраны представляет собой изменение отражательной способности на границе двух оптических сред, разделенных тонким зазором переменной величины. Глубина модуляции излуче ния зависит от конструктивных параметров датчика давления [11]:

1-ехр -Р

где Smin - величина шероховатости поверхности мембраны и грани призмы; в -диаметр волновых световодов; % - диаметр пятна оптического контакта; R - отражательная способность; р -• эмпирический коэффициент; d - длина пути осевых лучей от СИД до фотоприемника.

Расчет статических характеристик датчика включает в себя (кроме расчета модуляционных характеристик) расчет упругого, элемента. Уравнение упругого элемента выглядит так [И]:

3(1-ц2) Rr

тле Р - перепад давления; £ -модуль упругости мембраны; (г - коэффициент Пуансона; hp, hu - толщины разделителя и мембраны; г, R - радиусы разделителя и мембраны; W-перемещение упругого элемента.

В качестве излучателя в этом датчике использовался СИД типа АЛ107, а в качестве фотоприемника - кремниевый фотодиод.

Стабильность характеристик датчика давления определяется в основном стабильностью излучателя и фотоприемника. Стабили- • зацию светового потока можно осуществить описанны-ми в гл. 1 методами. На рис. 2.10 приведена зависимость светового потока от величины давления для этого датчика, полученная экспериментально [11].

По принципу нарушения полного внутреннего отражения можно построить также оптоэлектронный уровнемер. В оптоэлектронном уровнемере с открытым протяженным световодом, изображенном на рис. 2.11,а, нарушение полного внутреннего Отражения происходит за счет контакта с контролируемой жидкостью [1Г

/ф, мкА 100

0 80 120 h,MM 6)

Рис. 2.11. Конструкция уровнемера жидкости (а) и зависимость фототока от уровня жидкости (б):

/ - корпус; 2 - светоизлучающий диод; 3 - световод; 4 - фотоприемник; 5-отражающая маска



Уровнемер состоит из плоскопараллельного световода 5 со скошенными торцами, через которые осуществляются ввод светового потока от СИД 2 и вывод его из световода на фотоприемник 4. Зависимость фототока от уровня жидкости определяется из выражения [Ы]

/ф = Фо (1-;?ф)2е-=;?ЛЛ,

где S-чувствительность фотоприемника; Фо - световой поток СИД; F-площадь световода; А-коэффициент потерь на оптическом пути; /?ф-коэффициент отражения светового потока от торцов световода; е - коэффициент ослабления светового потока от границы раздела световод - жидкость; - число отражений светового потока от поверхности световода; Р - длина световода.

Число отражений зависит от угла скоса торцов фз световода, уровня жидкости h и толщины световода d:

iV = ft/2dtg Фа.

Одним из недостатков уровнемера является нелинейная зависимость фототока от уровня жидкости. Для линеаризации характеристики уровнемера на рабочую поверхность световода наносят отражающую маску, кривизна границы которой определяется по формуле [И]

iR - C)i\-R)

f (h)=-b

R + (l ;?iV„)iV.

где fe -ширина световода; С - коэффициент, равный Фт<п/Ф; Ло, Af -число отражений от всей длины L световода и от границы раздела световод - воздух соответственно:

N -Х- -

На рис. 2 11,6 приведена зависимость фототока от уровня жидкости. Реализовать уровнемер жидкости можно также на волоконно-оптическом световоде, имеющем изгиб [29]. Радиус изгиба определяется из соотношения

"о - 2 Пс - По

где По - показатель преломления материала оболочки волокна; Пс - показатель преломления материала сердцевины волокна; г -внешний радиус оболочки волокна; р - радиус сердцевины волокна.

Принцип действия этого уровнемера состоит в следующем. Оптическое излучение от источника поступает в волокнистый световод и распространяется по его сердцевине. Чтобы интенсивность этого излучения зависела от окружающей среды, необходимо вывести его из сердцевины в оболочку. Это достигается крутым изгибом волоконного световода по радиусу 1-2 мм. Излучение, вышедшее в оболочку в области изгиба, падает на границу раздела оболочка - окружающая среда. Если окружающей средой является воздух, то излучение отражается от границы раздела и возвращается в сердцевину. Если же изгиб погружен в жидкость, то оптическое излучение частично или полностью (в зависимости от радиуса изгиба) покидает световод. Это приводит к уменьшению интенсивности светового потока, который регистрируется фотоприемником.



Достоинствами волоконно-оптических уровнемеров являются высокая точность и помехозащищенность, а также широкий температурный диапазон работы и стойкость к химически активным (веществам. Монохроматичность излучения СИД и хорошее согласование с фотоприемниками позволяют применять их в качестве источника света в устройствах с использованием явления дифракции. При наличии лампы накаливания в таких устройствах из-за широкого спектрального диапазона излучения дифракция на растре и хроматические аберрации оптической системы увеличивают постоянную засветку фотоприемника и уменьшают полезный сигнал [30]. Это можно объяснить тем, что часть потока лампы из-за аберраций создает лишь постоянную засветку, а в образовании полезного сигнала не участвует.

Использование СИД в таких устройствах позволяет значительно улучшить их эксплуатационные характеристики.

В других преобразователях нарушение условий полного внутреннего отражения происходит за счет изменения кривизны световода. Механическое воздействие в них вызывают либо плавное изменение кривизны, либо микроизгибы [46]. При изгибе световода нарушается условие полного внутреннего отражения для мод высшего порядка с характерным углом между направлением распространения и осью световода. Энергия, соответствующая этим модам, выходит из световода на изогнутом участке через боковую поверхность, в результате чего пропускание света уменьшается. Такие преобразователи представляют собой изогнутый световод, закрепленный между неподвижными и перемещающимися частями объекта. При перемещеини объекта изменяется радиус кривизны световода, что вызывает амплитудную модуляцию излучения, прошедшего по световоду к фотоприемнику, по закону перемещения контролируемого объекта.

Основными преимуществами оптоэлектронных преобразователей на основе волоконной оптики являются возможность подведения света только к контролируемой точке и установки электронных элементов в удаленном месте, что важно при измерениях во взрыво- и пожароопасных агрессивных средах, при наличии внешних электромагнитных полей, в труднодоступных местах.

Измерительные преобразователи на волоконных световодах представляют относительно новую область измерительной техники. Многие эффекты в световодах, которые можно использовать для измерения различных физических величин, еще недостаточно изучены, в связи с чем для ряда преобразователей ие существуег строгой теории [46] для оценки их параметров и возможностей улучшения метрологических характеристик. Работы в этом направлении могут привести к качественному скачку, дающему широкие возможности применения цепи СИД - световод - фотоприемник в измерительных устройствах.

В условиях промышленного контроля важное значение имеет измерение перемещений, мгновенной скорости и ускорения.

Структурная схема цифрового фотоэлектрического датчика мгновенной скорости и ускорения приведена на рис. 2.12. [64].



0 1 2 3 4 5 6 7 [8] 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25


0.0136