Волоконно-оптические датчики
Курсовой проект - Физика
Другие курсовые по предмету Физика
е выходного сигнала волоконно-оптических гироскопов с разомкнутой петлей обратной связи, позволяющих улучшить характеристики динамического диапазона и масштабного коэффициента.
Волоконно-оптические интерферометрические датчики вращения могут быть сконструированы с рабочими характеристиками, аналогичными характеристикам интегрирующего гироскопа, при использовании приема обнуления фазы. В этом случае вызванный вращением сдвиг фазы обнуляется соответствующим искусственно введенным уравновешивающим сдвигом фазы. Один из способов достичь этого - использовать вызванный частотой фазовый сдвиг. В этом случае один из лучей, например, распространяющийся по часовой стрелке, сдвигается по частоте перед вводом в волоконную петлю, в то время как другой луч сдвигается по частоте после выхода из волоконной петли. Результирующее смещение полосы, обусловленное разностью частот F, равно
ZF=FLn/c (6.5)
где n- показатель преломления волокна. Если обусловленный вращением фазовый сдвиг установлен равным обусловленному частотой фазовому сдвигу, то выходной сигнал устройства равен
Z=2R/?n? (6.6)
7. Применение волоконно-оптических датчиков
С точки зрения промышленного применения использование волоконно-оптических датчиков привлекательно, поскольку они имеют превосходную чувствительность и широкий динамический диапазон, компактны и допускают плотную компоновку, а в перспективе имеют низкую себестоимость и высокую надежность[3,6,7]. Первоначально такие датчики использовались в агрессивной внешней среде, где под воздействием высоких температур, коррозийных веществ, высокого уровня электромагнитных помех или при угрозе взрыва традиционные датчики и чувствительные элементы не могут работать соответствующим образом. Приложения для высокотемпературных измерений - это хороший пример, когда датчики, основанные на тугоплавком стеклянном волокне, имеют преимущества по сравнению с электронными тензодатчиками или емкостными датчиками, в которых проволочные соединения могут не выдержать высоких температур. Второй пример - это возможность прокладывать длинные кабели между датчиками и блоками электронной обработки. Волоконно-оптические кабели стали сопоставимы по цене с коаксиальными и даже с двужильными кабелями при прокладке линий длиной в многие тысячи футов. Поскольку оптическое волокно является диэлектрической средой, оно не излучает и не подвержено (по крайней мере, в первом приближении) воздействию электромагнитных помех (ЭМП). Чем острее стоит проблема шума, тем привлекательнее становятся волокна. Волокна не требуют ни экранирования, ни специального заземления и могут проходить в непосредственной близости к высоковольтным линиям. Электронные модули, необходимые для модуляции/демодуляции оптических сигналов, не требуют специальных фильтров в среде с высоким уровнем электромагнитных помех.
7.1 Измерение температуры
Для измерения температуры в промышленных условиях разработано множество методов на основе оптических волокон, и некоторые датчики выпускаются серийно. Представители компании Вестингауз (Westinghouse) продемонстрировали распределенные измерения температуры в ядерных реакторах и измерили температуру выхлопного газа двигателя, анализируя спектр лучеиспускания абсолютно черного тела, излучаемого оптическим волокном, расположенном в горячей точке. Отметим, что при возрастании температуры излучение при данной длине волны также возрастает. Этот метод реализован в компании Accufiber Inc. на основе работ Дилса (Dils), и серийно выпускаются датчики для измерения температуры выхлопного газа реактивных двигателей вплоть до 1900 С. Высокоточные измерения температуры до 300 С также могут быть выполнены в работающих ректорах.
Рисунок -10 Схема датчика компании Accufiber на основе сапфирового черного тела и оптический анализатор
Датчик компании Accufiber включает в себя тонкий сапфировый стержень (см. рисунок 10). Измерительный конец стержня покрыт тугоплавким металлом.
Другой конец стержня подсоединен к низкотемпературному оптическому волокну за пределами высокотемпературной зоны измерений. Лучистая энергия от раскаленного металлического покрытия проводится по сапфировому стержню и низкотемпературному оптическому волокну к блоку анализа и отображения. Покрытый металлом кончик волокна представляет собой черное тело, спектр излучения которого зависит от температуры в соответствии с законом излучения Планка.
Анализ узкой полосы спектра излучения, выходящего из низкотемпературного волокна, выполняется при помощи оптического интерференционного фильтра и фотодетектора, преобразующего энергию излучения в электрическую энергию.
Дистанционные измерения температуры при температурах ниже 400 С могут быть выполнены при помощи спектрально-селективных методов, используемых несколькими компаниями в серийно выпускаемых устройствах. Такие методы не чувствительны к изменениям излучения черного тела, но скорее регистрируют на вызванные температурой изменения флуоресценции или спектров поглощения определенных специальных веществ.
В выпускаемой в настоящее время системе Luxtron светящийся люминофор размещен на кончике оптического волокна в зоне измерения (см. рисунок 11). Импульсы оптического возбуждения вызывают свечение люминофора, и время, за которое угасает свечение, зависит от температуры. Измеряется время т, за ко?/p>