Датчики электрических и магнитных полей.

В настоящее время предложены и реализованы оптоэлектронные датчики, предназначенные для измерения напряжения, тока и напряженности магнитного поля.

В основе датчиков напряжения лежит использование эффекта Поккельса. В схеме с продольной модуляцией световой поток от СИД подводится к поляризатору, проходит через активный элемент в виде электрооптического кристалла, затем через анализатор, после чего регистрируется pin- ФД. Эта схема позволяет измерять напряжение амплитудой от нескольких вольт до 200В с погрешностью 0,1 %.

ВОД для измерения тока или напряженности магнитного поля основаны использовании эффекта Фарадея. Функциональная схема ВОД, применяемая для детектирования тока или напряженности магнитного поля, представлена на рисунке 11.3. Линейно-поляризованное излучение от источника излучения (СИД или ЛД), пошедшее через поляризатор, водится в одномодовое волокно, намотанное на проводник, по которому протекает электрический ток. Под действием магнитного поля направление поляризации светового пучка изменяется и через призму Волластона подается на вход ФП. Схема обеспечивает измерение при комнатной температуре токов от 50 до 1200 А с погрешностью, не превышающей 0,25 %. Специальные прокладки между многомодовым оптическим волокном и катушкой позволяет существенно увеличить чувствительность датчика. Например, прокладки на основе Ni чувствительность датчика длиной 10см составляет 10^-7А, а на основе Fe₈₀В₂₀ чувствительность датчика 10^-9 А.

Рисунок 11.3 – Схема ВОД на основе эффекта Фарадея:

1-источник излучения, 2 – поляризатор, 3- четвертьволновая пластина,

4-проводник, 5 – призма Воллостона, 6 –ФП

Датчики механических величин.

Оптикоэлектронные датчики позволяют с высокой точностью контролировать давление, амплитуду сдвига колебаний, ускорение, звуковое давление и т.д.

Для измерения давления может быть использована схема отражательного типа, в ней к тонкостенной мембране подходит волоконный жгут, в котором часть волокон подводит световой поток к отражающей поверхности мембраны, а другая часть – отводит отраженный световой поток. При этом коэффициент связи между передающими и принимающими волокнами зависит от стрелы прогиба мембраны, деформируемой под действием измеряемого давления. Таким образом, амплитуда измеряемого светового сигнала является практически линейной функцией давления. Использование аналогичной отражательной геометрии позволяет также измерять амплитуду сдвига и колебаний.

Для измерения ускорения может быть использована схема с механической инерционной частью, перекрывающей оптический путь светового пучка, проводимого к активному модулю с помощью волоконной линии от источника излучения. В стационарном состоянии заслонка перекрывает примерно половину светового пучка. Схема позволяет измерять амплитуду ускорения в диапазоне 0,1g до 40g.

Калориметрические датчики.

Калориметрические приборы решают проблему бионики: реализацию с помощью технических средств функции ”цветного” человеческого зрения. Для адекватного параметрического описания цветовых характеристик зрения необходимы три типа фотоприемников, воспроизводящих калориметрические кривые Vx, Vy, Vz. Такой датчик предусматривает наличие трех ФП, каждый из которых содержит один из трех типов светофильтров (красный, синий, зеленый). При конструировании цветового дискриминатора может быть использована схема с ячейкой жидких кристаллов, работающей на эффекте двойного лучепреломления и используемой в качестве перестраиваемого светофильтра, а также кремниевый ФД. За счет изменения напряжения на ячейке ЖК предоставляется возможность управления спектральной характеристикой. Эффект цветоразличения достигается путем сравнения с характеристиками стандартного образца. Использование фотодиодов на основе А₃В₅ позволяет создать ФД со спектральными характеристиками, близкими к стандартным кривым Vx, Vy, Vz без использования светофильтров.

Датчики ионизирующих излучений

Эти датчики построены на эффекте увеличения потерь в волокне ВОД под действием излучения, так и эффекте возрастания интенсивности сцинцилляционного излучения. В первом случае волокно обычно легируют примесями Ta, Sb, что обеспечивает практически линейное возрастание с дозой облучения коэффициента поглощения на длине волны 0,85 мкм в диапазоне доз от 1 до 10^-4 рад.

Во втором случае может быть использована сцинциллирующая керамика, при этом в качестве фотоприемника может быть использован прибор на основе аморфного гидрированного кремния. Преимущество второго метода: улучшена оптическая связь между сцинциллирующей. керамикой и фотоприемником.

Интегрально-оптические датчики

Одно из самых перспективных направлений разработки оптоэлектронных датчиков – интегральные оптические датчики (ИОД). Оно тесно связано с исследованиями в области интегральной оптики, направленными на создание оптических и интегрально-оптических систем обработки, хранения и отображения информации. Применение ИОД, например, в исследованиях физико-химических процессов, показали несомненное преимущество по сравнению с ВОД.

Интегрально-оптические датчики можно классифицировать по физико-конструкционному принципу: ИОД на основе планарных диэлектрических волноводов и ИОД на основе поверхностных или волноводных металлодиэлектрических структур (ПЭВ – датчики). Эти датчики должны обеспечивать возможность переноса, как электронов, так и фотонов.

Проблемы разработки ИОД связаны с микросхемотехникой, микрооптикой, технологией и материаловедением.

Широкие возможности для детектирования различных химических веществ открывают ИОД. На поверхность волноводного слоя ИОД наносится тонкий слой химического вещества, вступающего в химическую реакцию с детектирующим реагентом. Принцип действия такого ИОД основан на том, что контактирование верхнего слоя с реагентом приводит к изменению эффективного показателя преломления волновода. При этом информацию дает угол возбуждения Q_m или длина распространения волноводной моды R_m. Повышения чувствительности ИОД можно добиться, если чувствительным элементом сделать не волноводный слой, а например, устройство ввода излучения в структуру. В частности, устройство ввода в виде дифракционной решетки, сформированной в SiО₂/TiO₂, позволяет детектировать изменение толщины адсорбированного слоя протеина с точностью 0,04 нм.

Анализ химических веществ с успехом можно проводить с помощью и ПЭВ-ИОД. В этом случае использование тонкого слоя серебра (d=50 нм), нанесенного на стеклянную подложку и содержащего на поверхности тонкую органическую пленку адсорбента, позволяет детектировать малые концентрации газа с парциальной концентрацией менее 1%. При этом изменение массовой концентрации детектируемого газа на 10^-6 приводит к изменению угла возбуждения ПЭВ на 10^-5 град.

Контрольные вопросы

1. Что такое датчик?

2. Охарактеризуйте датчики оптронного типа.

3. Классификация волоконно-оптических датчиков.

4. Почему в датчиках сенсорного типа используют одномодовое волокно, а в датчиках “линии связи” – многомодовое?

5. Охарактеризуйте понятия следующих эффектов:

- эффект Фарадея,

- эффект Поккельса,

- эффект фотоупругости,

- эффект Доплера,

- эффект Саньяка

6. Почему вышеперечисленные эффекты в оптической связи оцениваются как недостатки, а в датчиках их проявление считается преимуществом?

7. Охарактеризуйте интегрально-оптические датчики.