Оптоэлектрических преобразователей

Обобщенная структурная схема оптоэлектрического преобразо­вателя (рис. 2-55) содержит источник излучения, оптический канал, приемник излучения и измерительную цепь.

Рис.2-55

Измеряемая величина Х воздействует непосредст­венно на источник излуче­ния, изменяя параметры излучаемого потока Ф₁, или на 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 оптоэлектрических преобра­зователей могут быть разделены на три группы: схемы измерения интенсивности излучения, схемы измерения сдвига фаз и угла поворота плоскости колебаний 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 электронных схем, быстродействие которых соответствует частотам 10¹⁴–10¹⁷ Гц. Схемы измерения частоты и фазы колебаний строятся в подавляющем большинстве случаев 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 Х 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 Ф_х;

б) измерение отношения потоков Ф₁/Ф₂, где в качестве одного из потоков, например Ф₂, обычно используется образцовый (эталонный) поток Ф_э;

в) измерение разности потоков Ф₁–Ф₂, где Ф₁=Ф_х, Ф₂=Ф_э или Ф₁=Ф₁₀ + DФ и Ф₂=Ф₂₀ – DФ.

В качестве примера преобразователя, измеряющего непосред­ственно поток Ф_х, на рис. 2-56 показано схематическое устройство автоматического экспонометра для кинокамеры. Световой поток Ф_х, 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 6 и 7 создают встречные вращающие моменты, поворачивающие рамку, соединенную с диафрагмой 2. Движение диафрагмы 2 происходит до тех пор, пока сопротивле­ние фоторезистора не станет равным сопротивлению резистора R, которое используется для установки параметров экспозиции. В ка­честве фотоприемника применяются сернисто-кадмиевые, селенидно-кадмиевые 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. 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 DY оказывается во много раз больше перемещения растра DХ. В частности, при сопряжении двух параллельных растров, развер­нутых под некоторым малым углом a, получается комбинация свет­лых и темных полос. Коэффициент оптической ре­дукции K_ред = DY/DХ такого сопряжения при равных ша­гах растров w₁ = w₂ = w ра­вен K_ред = 1/sin a.

Однако особенность оптоэлектрических 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 него потоков. Измерительная схема по­добного преобразования показана на рис. 2-57. Пучок света источ­ника 1 при помощи зеркал 2 разделяется на два потока Ф₀ и Ф_х. Интенсивность потока Ф_х зависит от измеряемой величины (напри­мер, прозрачности объекта 3). С помощью модулятора осуществля-ется периодическое освещение фоторезистора ФП измеряемым Ф_х 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–G_х)/(Сf_кл),

где G₀ = SФ₀ и G_x = SФ_x – проводимости фоторезистора при освещении потоками Ф₀ и Ф_x; S – чувствительность фоторезистора; f_кл – частота переключения ключа.

На рис. 2-58, а показано схема-тическое устройство прибора бескон-тактного контроля диаметра прово-локи. 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 на входе ФП. Если интенсивности верхнего и нижнего лучей не равны (рис. 2-58, б), 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. На рис. 2-59 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 D_х от дальномера. Отраженное излучение возвращается к фотоприем­нику ФП. Время распространения волны до отражателя и обратно составляет t=2D_хn/c. За это время фаза напряжения, питающего лазер, изме­нится на величину

j_x = w₀t = w₀2D_xn/c,

где w₀ – частота модуля­ции; n – показатель преломления среды. Сдвиг фаз j_x измеряется с помощью фазометра.

Порог чувствительности современных промышленных высоко­частотных фазометров составляет около 0,1°, что при частоте моду­ляции f₀=10 МГц и n»1 соответствует D_xmin=4 мм. Стабиль­ность результатов измерения опреде­ляется стабильностью частоты модуля­ции и постоянством условий на пути светового потока.

На рис. 2-60 показан принцип действия пьезооптического преобразователя механических напряжений, основанного на явлении фотоупругости.

Первоначально изотропный упругий чувствительный элемент в виде прямоуголь-ной прозрачной призмы 4 находится в условиях одноос­ного напряженного состоя-ния под действием силы F_x. 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 F_x. Поляризованные лучи А и В проходят через упругий элемент 3 и фазовую пластину 4 на анализаторы 5_A и 5_B, один из которых скрещен с поляризатором 2, а второй парал­лелен ему. После анализаторов лучи А и В падают на фотоприемники 6_A и 6_B.

Интенсивность света, попадающего на приемник 6_A, определяется выражением

I₁=I₀sin²[(2pD/l + a₀)/2],

интенсивность света, попадаю­щего на приемник 6_B,

I₂=I₀cos²[(2pD/l + a₀)/2],

где a₀ – фазовый сдвиг, вносимый пластиной 4.

Зависимость разности хода D от деформации e₁₁ определяется как

D = n³₀l(p₁₁– р₁₂)e₁₁,

где n₀ – показатель преломления фотоупругого материала в ненапряженном состоянии; l – длина образца в направлении просвечивания; p₁₁ и p₁₂ – упругооптические коэффициенты, являющиеся тензорами четвертого ранга.

Выходное напряжение диагонали моста, в который включены фотоприемники, пропорционально разности их освещенностей:

U_вых = U_A – U_B = kI₀cos (2pD/l + a₀).

При a₀ =p/2 и малых a = 2pD/l можно считать:

cos(p/2 + a) » a и U_вых = [kI₀2pn³₀l(p₁₁ – p₁₂)/l]e₁₁.

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 50–1000g 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 составляет 0,1%/К (дрейф нуля) и 0,05–0,1%/К (изменение чув­ствительности).

Схема измерения частоты длины волны излучения оптического диапазона. На рис. 2-61 показана структурная схема преобразо­вателя с гетеродинным преобразованием частоты. Преобразователь содержит источник опорного сигнала ИОС частоты n₀, светоделитель СД, фотоприемник ФП, усилитель Ус и частотомер. На светоделитель поступают два пучка света: пучок света, частоту кото­рого n_x 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):

Ф(t) = Ф_mcos(n_x – n₀)t.

Если разност­ная частота n_вых= n_ч –n₀ находится в полосе пропускания элек­тронной схемы, то измерение этой частоты частотомером при извест­ном значении n₀ позволяет найти n_х= n_вых + n₀.

Устройства с интерференционным преобразованием частоты стро­ятся на базе интерферометров с использованием модуляции излуче­ния по частоте.