2.4. Преобразования входной физической величины в оэп

Общая структура преобразований в оптическом (волоконно-оптическом) датчике представлена на рис. 2.3. В процессе измерения внешнего воздействия в ОЭП происходит ряд взаимосвязанных преобразований: предварительное, физического эффекта, модуляционное и фотоприемное.

Рис. 2.3. Общая структура преобразований

В качестве внешнего воздействия F_вх могут выступать напряженность электрического и магнитного полей Е и Н, ток I, температура Т, линейное ускорение а, угловая и линейная скорости (ω и v), сила F, давление р и др., т. е. внешнее воздействие может быть электрического, магнитного, теплового, механического, химического, радиационного и других типов.

Схема предварительного преобразования необходима, если нельзя непосредственно измерить внешнее воздействие (например, линейное ускорение) или если в наличии уже имеется датчик для измерения другого физического параметра.

Для того чтобы полнее использовать ОЭП, важно знать методы, применяя которые, внешнее воздействие F_вх можно преобразовать в измеряемую величину F_изм, например температуру – в давление. Здесь одним из способов является использование происходящего при нагреве расширения газа, жидкости или твердого тела, которое сдерживается каким-либо образом, благодаря чему возникает давление.

Одним из наиболее характерных измеряемых параметров является перемещение, которое относительно просто вызывается различными физическими эффектами (рис. 2.4).

Схема предварительного преобразования может использовать разнообразные физические принципы и быть электромеханической, магнитомеханической, механической, электромагнитной и т. д.

Рис. 2.4. Взаимосвязь параметров при измерении

Измеряемая величина (Е, H, I, Т, F, р и др.) с помощью какого-либо физического эффекта (электро- или магнитооптического, пьезоэлектрического, акусто- или пьезооптического и др.) приводит к изменению оптических параметров х_i среды, по которой распространяется излучение (показателя преломления n, коэффициента поглощения света , линейных размеров l).

Оптическая схема, в которой осуществляется амплитудная, фазовая, поляризационная, частотная, спектральная, временная или пространственная модуляция, связывает изменение оптического параметра х_i среды, индуцированное измеряемой физической величиной, с параметром проходящей через датчик оптической волны у_i (амплитудой А, фазой φ, поворотом плоскости поляризации а, длиной волны λ, временем задержки импульса отклика t, пространственными координатами регистрируемого излучения х, у). Среди используемых принципов действия оптических схем модуляции следует отметить изменение отражательной или пропускательной способности среды, нарушение полного внутреннего отражения, управляемую связь волноводов, изменение поглощения среды (амплитудная модуляция); изменение длины ячейки или оптической длины среды, поперечных размеров волновода (фазовая модуляция); поворот плоскости поляризации и изменение типа поляризации (поляризационная модуляция); смещение края полосы поглощения и перемещение светофильтров (спектральная модуляция).

Для детектирования и измерения изменений оптического параметра среды могут использоваться различные фотоприемные схемы. Они осуществляют непосредственное измерение мощности сигнала либо содержат дополнительные устройства: интерферометрическую схему или анализатор угла поворота плоскости поляризации, светофильтр или спектрально-чувствительный фотоприемник (для измерения длины волны), позиционно-чувствительные фотоприемник и светофильтр (для измерения пространственных координат излучения). Практически во всех случаях окончательно регистрируемой величиной является амплитуда тока на выходе фотоприемника I_фп. Многообразие физических эффектов, схем модуляции и фотоприемных схем обусловливает обилие возможных вариантов реализации даже при регистрации одной физической величины.

В основу классификации оптических датчиков целесообразно положить различие в оптических схемах модуляции, которое во многом предопределяет существо не только преобразования измеряемого воздействия F_изм в изменение параметров оптического излучения, но и предварительного и фотоприемного преобразований.

Математическую основу ОЭП составляет модель функции преобразования, которая по аналогии с моделью оптрона может быть представлена зависимостью тока фотоприемника от множества параметров внешних факторов.