Содержание
Введение
1 Общаяхарактеристика фотоупругого эффекта
2 Использованиефотоупругого эффекта для измерения физических величин
2.1 Измерениедавления
2.2 Измерениепараметров светового излучения
2.3 Измерениеускорения
Заключение
Списокиспользованных источников
Введение
Существует множество оптически прозрачных материалов, показатель преломлениякоторых может изменяться под воздействием механических напряжений или деформации.Такие материалы называются фотоупру гими. Их можно использовать в оптическихсистемах как волновые пластинки, чувствительные к механическим напряжениям (илидеформациям). Существует множество видов таких материалов, начиная от стекла, имеющегонизкую чувствительность к напряжению, но высокую к де формации, и заканчивая желатином,имеющего очень высокую чувствительность к деформации, но низкую — к напряжению.
Фотоупругость открыта Т. И. Зеебеком (1813) и Д. Брюстером (1816).Фотоупругость является следствием зависимости диэлектрической проницаемости веществаот деформации и проявляется в виде двойного лучепреломления и дихроизма, возникающихпод действием механических нагрузок. При одноосном растяжении или сжатии изотропноетело приобретает свойства оптически одноосного кристалла с оптической осью, параллельнойоси растяжения или сжатия. При более сложных деформациях, например при двустороннемрастяжении, образец становится оптически двухосным.
1. Общая характеристика фотоупругого эффекта
Вещество считается обладающим фотоупругими свойствами, если его показательпреломления можно изменить некоторым приложенным механическим напряжением σили деформацией ε. Фотоупругость была открыта Брюстером в 1816 г. Световаяволна с плоскостью поляризации в том же направлении, что и напряжение, распространяетсябыстрее, чем волна ортогональной поляризации. Обычные вещества, проявляющие фотоупругиесвойства — желатин, стекло и поликарбонат. Инженерами, занимающимися исследованиеммеханических напряжений, это явление использовалось на протяжении нескольких десятилетий.Обычно из поликарбоната или подобного фотоупругого материала строится модель структуры,подлежащей исследованию. Белый свет поляризуется, проходит через исследуемую модельи наблюдается через другой поляризатор. Напряжения в фотоупругом материале, какговорят, вызывают задержку между ортогонально поляризованными компонентами световойволны. Это приводит к деструктивной интерференции на определенной длине волны. Наблюдательвидит дополнительные цвета в местах локализации напряжений. Плотность этих интерференционныхполос показывает величины напряжений.
Далее описано, как можно осуществить количественный анализ напряженияили деформации. Рисунок 1.1 иллюстрирует волну, распространяющуюся в направленииz через фотоупругое вещество,испытывающее напряжение в направлении х. Задержку характеризует следующее соотношение:
задержка = напряжение х оптический коэффициент напряжения х оптическийпуть.
Задержку обычно приводят в величине физической длины, например 150нм, что можно выразить как фазовый сдвиг:
фазовый сдвиг = напряжение х оптический коэффициент напряжения х оптическийпуть х 2π/λ
или
/> . (1.1)
В некоторых случаях оказывается предпочтительным работать с деформацией.Тогда задержка определится как
задержка = деформация х
хоптический коэффициентдеформации хоптический путь.Уравнение (1.1) в этом случае принимает вид
/> . (1.2)
/>
Рисунок 1.1-Фотоупругий эффект
В обычной конфигурации перед фотоупругим материалом расположен поляризационныйфильтр. Его плоскость поляризации ориентирована под углом 45° к оси х. Светот неполяризованного источника, пройдя поляризатор, будет иметь равные плоскополяризованныекомпоненты в направлениях хи y. Свет после образца проходит еще через один поляризатор,расположенный на его пути, и, наконец, фотоприемник просто измеряет оптическую мощность.
Опираясь на уравнения для электрической и магнитной энергий, заключенныхв электромагнитной волне, можно показать, что мгновенная скорость потока энергиичерез единицу площади P— векторное произведение Е и Н
/> . (1.3)
С известен как вектор Пойнтингаи его направление — это на правление потока энергии. Средняя скорость потокаэнергии через единицу площади, обычно называемая интенсивностью, определяетсясреднеквадратическими значениями Ε иН. Дляплоской волны полезным соотношением является отношение Ε к H, оно называется внутренним импедансом средыΖ0. Дляплоской волны, поляризован ной в направлении х,импеданс равен
/> . (1.4)
Комбинацияуравнений (1.3) и (1.4) для плоской волны, по ляризованной в направлении x, дает
/> . (1.5)
Обобщая,можно сказать, что уравнение (1.5) показывает, что для плоской волны, поляризованнойв любой плоскости, интенсивность пропорциональна квадрату амплитуды электрическогополя в этой плоскости.
Теперь,поскольку приемник из рисунка. 1.1 будет воспринимать общую интенсивность совокупностидвух ортогонально поляризованных компонент, для расчета интенсивности необходимовекторно сложить амплитуды этих компонент. Изменение электрического поля волны,поляризованной в направлении х, можетбыть выражено как
/> (1.6)
гдеЕах —пиковая амплитуда. Аналогичное выражение используется для Еу, нобез фазового сдвига φ.
Окончательно,если второй поляризатор ориентирован под некоторым углом θ к оси х,результирующее электрическое поле будет
/> (1.7)
Но,как установлено ранее, средняя интенсивность, измеренная приемником, будет определятьсяквадратом результирующего электрического поля, поэтому, возводя в квадрат уравнение(1.7), по лучим
/> (1.8)
После усреднения за один периоди в предположении, что Еах = = Еау, уравнение (1.8)дает следующее значение
/> (1.9)
Вывод этого уравнения былпроведен для двух ортогонально поляризованных волн. Однако, как показано на вышеприведеннойдиаграмме, для получения двух ортогональных волн используется плоскополяризованная волна, ориентированнаяпод углом 45° к оси х. Если интенсивность этой исходной волны равна Ιο,то каждая ортогональная компонента будет иметь интенсивность Ιο/2. (Этапроверка осуществляется разложением электрического поля исходной волны Eнаx иу составляющие:Ех = Еу = E0cos 45°,при этом напомним, что интенсивность пропорциональна Е2.) Итак,если вы разить уравнение (1.9) в величинах интенсивности, получим интенсивностьна приемнике в виде
/> (1.10)
Уголθ обычно устанавливают равным45°, так что при нулевой задержке I равняетсянулю. Еще один полезный прием — введение предварительной задержки одной из ортогональныхкомпонент с помощью четвертьволновой пластинки. Возрастание разности фаз на π/2 превращает косинус в уравнении(1.10) в синус. Подстановка значения φ приводитк
/> (1.11)
Еслизначение φ мало,такое превращение имеет два преимущества. Во-первых, вблизи нуля функция синусаизменяется быстрее, чем косинус, что делает систему более чувствительной. Во-вторых,при малых значениях синус фазы и сама фаза, выраженная в радианах, практически равны.После этих изменений уравнение (1.11) можно переписать как
/> (1.12)
Такимобразом, что выходной сигнал сенсора становится линейной функцией от σχ, что гораздо удобнее. Преобразование уравнения(1.12) приводит к
/> (1.13)
Разработкаволоконно-оптических сенсоров с использованием фотоупругости началась поколениетому назад. Спиллман (1982), например, применил их как датчик давления. Кроме того,в различных исследовательских учреждениях были разработаны гидрофоны и акселерометры.Американская Военно-морская исследовательская лаборатория проявляла интерес к подобнымустройствам в начале восьмидесятых годов. Однако только несколько систем достигликоммерческого уровня и в настоящее время интерес к ним несколько снизился.
2. Использование фотоупругого эффекта дляизмерения физических величин
2.1 Измерение давления
Использование эффекта фотоупругости для определения распределения напряженияимеет давнюю историю и является основой успешных коммерческих предприятий в настоящеевремя (Measurements Group Inc., Роли, Северная Каролина). Первое предложение использоватьфотоупругость в качестве механизма преобразования волоконно-оптического датчикаотносится к 1980 году; решение о выдаче патента на концепцию было принято в 1983-м. Этот датчик, датчик давления, имел один волоконный вход и два волоконных выхода(рисунок 2.1). Согласно концепции этого датчика свет Iooтисточника(101), расположенного в области обработки сигнала, вводился в многомодовое оптическоеволокно (121). Выходящий из волокна свет в области измерений коллимировался, приобреталкруговую поляризацию и проходил через чувствительный к давлению фото упругий элемент(204), сконфигурированный для восприятия линейного напряжения вдоль оси, повернутойна π/4 к оси поляризации проходящего через элемент светового луча. Затемэтот свет пропускался через та кое устройство, как поляризующий светоделитель (205),который вводит компоненты оптического луча, поляризованные под углами π/4и — π/4, в отдельные выходные оптические волокна (111 и 113). Свет по этимдвум волокнам поступает в область обработки сигнала, регистрируется двумя фотодетекторами(112 и 114) и затем обрабатывается с целью получения информации о давлении. Оптическаямощность (при отсутствии оптических потерь), регистрируемая двумя фотодетекторами,может быть вы числена путем анализа оптической системы, представленной на рисунке2.1, при помощи формализма Мюллера. Эти мощности равны
/> , /> (2.1)
Здесь предполагается, что давление Р, воспринятое датчиком, механическипреобразовано в эквивалентное линейное напряжение в области, пересекаемой световымлучом. Использование отношения разности к сумме позволяет снизить или устранитьошибки в системе, обусловленные создаваемыми источником излучения флуктуациями оптическоймощности I. Выходное напряжение обрабатывающей схемы определяетсявыражением
/> в пределах для малых Р. (2.2)
Можно видеть, что величина Iв уравнение не входит, ив пределе при малых давлениях линейная взаимосвязь между выходным напряжением иприложенным давлением существует независимо от флуктуации оптической энергии, подаваемойна чувствительный элемент.
/>
Рисунок 2.1-Волоконно-оптический датчик давления на основе эффектафотоупругости
Одна из первых практических демонстраций датчика давления на основефотоупругости состоялась в 1982 году. В этом датчике в качестве чувствительногоэлемента использовался блок натрий-кальциево-силикатного стекла. Датчик имел толькоодин выходной канал. Принципиальная схема этого датчика приведена на рисунке 2.2.В этом конкретном датчике в качестве оптического источника применяется лазерныйдиод с волоконными выводами, кварцевое оптическое волокно с пластмассовой оболочкойи диаметром сердцевины 200 мкм, и стержневые градиентные линзы (GRIN).
Активный фотоупругий элемент представлял собой призму размером 0,6х 0,6 х 1,2 см из пирекса (fa= 0,26 МПа/полосу/м). Давлениена него передавалось Be-Cu-мембраной, как показано на рисунке 2.2. Были проведены только лабораторные испытания этого прибора. Результаты тестирования приведенына рисунке 2.3. По экспериментальной кривой, представленной на рисунке 2.3, а, экспериментально
/>
Рисунок 2.2-Многомодовый волоконно-оптический датчик давления на основе эффектафотоупругости
Было определено минимальное обнаружимое давление. Эти данные количественноопределяют относительное изменение оптической интенсивности, воспринимаемое, когдачувствительный элемент давления заполнен водой, эквивалентное изменению давленияна мембрану величиной 0,9 кПа. Разделив ширину выхода в устойчивом состоянии (т.е.0,2 ед.) на изменение сигнала для данной разности давлений, можно определить минимальноеобнаружимое давление как Pmin = 95 Па. Это в 67 раз больше,чем минимальное обнаружимое давление (1,4 Па). Различие объяснялось сочетанием шумаот лазерного источника и недостаточной передачи давления от мембраны к активномуэлементу. На рисунке 2.3, б приведена зависимость выходного сигнала прибораот приложенного гидростатического давления. Кривая демонстрирует диапазон линейностиот 0 до 0,5 МПа и диапазон измерений, превышающий 8 МПа. Измеренный динамическийдиапазон составил 86 дБ, в то время, как вычисленный динамический диапазон превышал120 дБ [дБ определяется здесь как 201og(Pmax/Pmin)]. В качестве верхнего пределагистерезиса этого датчика было установлено примерно ±1% от полной шкалы.
/>
Рисунок 2.3-Регистрируемыесигналы от волоконно-оптического датчика давления на основе эффекта фотоупругости
Описание усовершенствованноговарианта датчика давления на основе эффекта фотоупругости было опубликовано в 1983году. В этом датчике (рисунок 2.4) вместо лазерного диода использовался светоизлучающийдиод и два оптических канала были реализованы так, что зарегистрированную разность/суммусигнала можно было использовать для компенсации амплитудного шума оптического источника.Принципиальная схема датчика приведена на рисунке 2.4. Подробная схема расположенияоптических элементов показана на рисунке 2.5. В датчике излучение, прошедшее повходному оптическому волокну, коллимируется стержне вой градиентной линзой, отражаетсяпараллельно поверхности корпуса датчика и линейно поляризуется поляризующим светоделителем.Затем четвертьволновая пластина преобразует луч, придавая ему круговую поляризацию.После этого луч света проходит через активный чувствительный элемент (стеклянную призму),который подвергается напряжению с помощью латунного поршня, используемого для передачинапряжения от Be-Cu-мембраны. Затем полуволновая пластинка используется для поворота осейполяризации оптического луча на π/4, чтобы привести их в соответствие с осямивыходного поляризующего светоделителя, встроенного в корпус датчика.
/>
Рисунок 2.4-Датчик давления на основе эффекта фотоупругости с двойнымвыходом
Две поляризованные компоненты (соответствующие свету, поляризованномупод углами ±π/4 к оси напряжения) вводятся после этого в от дельныеоптические волокна с помощью стержневых градиентных линз для передачи в областьрасположения фотодетекторов. Анализ этой системы оптических элементов (если пренебречьпотерями на отражение, коллимацию и выравнивание) показывает, что оптические сигналы,пере даваемые по двум выходным волокнам, описываются уравнением (2.1). Было установлено,что при отсутствии приложенного давления мощность сигналов, передаваемых по двумвыходным волокнам, равна 5,3 и 8,9 мВт. Эти величины отличались от базовых значений,равных 4,8 и 4,9 мВт, из-за остаточного напряжения, приложенного к чувствительномуэлементу, когда затягивалось удерживающее кольцо на Be-Cu-мембране, что бы обеспечитьотсутствие утечки масла в корпус датчика. Для зарегистрированных оптических мощностей,измерения анализатором спектра сигналов, зарегистрированных при помощи регистрирующегофотодиода в фоторезисторном режиме с нагрузкой 200 кОм, показали, что оптическийдробовой шум является преобладающим источником шума. Измеренные уровни шума составляли—135 и —138 дБ//>;; предсказанные значениядробового шума составляли —134 и —137 дБ//>соответственно.Измеренные значения уровней шума в сочетании с наблюдаемым изменением интенсивности,вызванным приложенным давлением, определили динамический диапазон каналов равным123 и 118 дБ, при условии 1 Гц полосы пропускания, при минимальных обнаружимых давлениях,равных 4,8 и 8,3 Па.
/>
Рисунок 2.6-Принципиальнаясхема датчика давления на основе эффекта фото упругости с двойным выходом
Выходы двух детекторов были объединены с простой электронной схе мой,чтобы обеспечить выход, пропорциональный разности/сумме двух сигналов. Типичнаяхарактеристика датчика, в котором используется та кой способ обработки, показанана рисунке 2.8. Однако было обнаружено, что схема обработки увеличивает уровеньвыходного шума на 30 дБ //>, таким образом существенноснижая разрешение и уменьшая динамический диапазон датчика. Это показывает, чтосхема обработки сигнала после фотодетектора требует тщательной разработки и выборакомпонент.
/>
Рисунок 2.7-Подробная схема расположения оптических элементов датчикадавления на основе эффекта фотоупругости с двойным выходом
/>
Рисунок 2.8-Выходное электрическое напряжение датчика давления на основеэффекта фотоупругости с двойным выходом
Также был продемонстрирован простой одноосевой волоконно-оптическийакселерометр, основанный на эффекте фотоупругости. Масса в 16 г, прикрепленная кграни х фотоупругого элемента, позволяет преобразовывать силы, обусловленныеускорением, в напряжение материала. Было протестировано два различных типа чувствительногофотоупругого материала: пирекс и полиуретан. Размеры стеклянного элемента составляли0,6 х 0,6 х 1,2 см и оптическая длина пути 0,6 см. Полиуретановыйэлемент имел размеры 1,0 х 0,6 х 1,5 см при оптической длине пути,также равной 0,6 см. Прибор оценивался двумя способами. Во-первых, определялся откликчувствительного элемента на статическую нагрузку. Это обеспечило прямое измерениекоэффициента оптической чувствительности материала на рабочей длине волны лазерногодиода с волоконными выводами RCA С86007, равной 820 нм. Для элементов из стекла и полиуретана,соответственно, эти коэффициенты составили: fa(стекла) = 0,13 МПа/полоса/ми fa(полиуретана) = 104 Па/полоса/м. При втором измеренииодновременно волоконно-оптический акселерометр и эталонный акселерометр Bruel & Kjaer, типа 4371, были жестко закрепленына вибрационном столе Cleveland, модель VP-7-2, и подвергнуты вертикальномуускорению с частотой 100 Гц. Измерения выходных сигналов, проведенные спектроанализаторомTektronix 7LS, позволили определить динамическиеотношения сигнал/шум. Экспериментально определенные минимально обнаружимые пиковыеускорения для стеклянного и полиуретанового элементов составили 1,5 х 10-3и 8,5 х 10-5 см/с2 соответственно. Теоретические минимальнообнаружимые ускорения составляли 6,5 х 10-4 и 1,7 х 10-5 см/с2для тех же элементов, что указывает на то, что по крайней мере при частоте 100 Гцсуществует приемлемое соответствие между теорией и реальными характеристиками. Источникомрасхождений, вероятно, стал амплитудный шум от лазерного диода, являющегося источникомизлучения. Демонстрация волоконно-оптического акселерометра показала, что подобныйприбор можно реализовать сравнительно недорого и напрямую. Однако его принципиальноепреимущество проявляется в ситуациях когда присутствуют только линейные ускорения.В более сложных ситуациях, силы сдвига, действующие на фотоупругий элемент при ускоренииприкрепленной массы, могут сделать значение зарегистрированного сигнала неопределенным.
Наибольшее развитие волоконно-оптические датчики, на основе эффектафотоупругости получили в приложениях, связанных с акустическими измерениями. Измерительнаяконфигурация первого образца датчика такого типа, была аналогичной приведенной нарисунке 2.1 и имела два волоконных выхода. Свет от гелий-неонового лазера мощностью2 мВт фирмы Hughes вводился в волокно со ступенчатым профилем показателя преломления идиаметром сердцевины 100 мкм и передавался преобразователю. Затем он коллимировалсяс помощью стержневой градиентной линзы, приобретал круговую поляризацию и проходилчерез фотоупругий чувствительный элемент. Компоненты (1 + sin) и (1 — sin) выходного сигнала затемразделялись поляризующим светоделителем и вводились в различные выходные волокнадля передачи в область обработки сигнала, где они регистрировались двумя фотодиодамиRCA С30808. Фотоупругий элемент,имеющий двутавровый профиль, был изготовлен из Thiokol Solithane Urethane 113 и его площадь поперечногосечения вверху и внизу составляла 0,6 х 0,6 см, а площадь поперечного сеченияв области, пересекаемой оптическим лучом, равнялась 0,6 х 0,2 см.
Экспериментально определенная оптическая постоянная по напряжениямравнялась fa= 210 Па/полоса/м. Корпус акустическогодатчика представлял собой полый алюминиевый цилиндр высотой 8 см с внутренним диаметром8,5 см и внешним диаметром 5,0 см. Активный фотоупругий элемент был выровнен междувходной и выходной оптикой и за тем присоединен к двум тонким резиновым мембранам,закрепленным сверху и снизу корпуса с помощью алюминиевых удерживающих колец. Преобразовательбыл заполнен воздухом. При отсутствии приложенного давления оптическая мощность,попадающая на два фотодетектора, составляла 41 и 17 мкВт соответственно. Для компенсацииэтой разницы оптических мощностей было подстроено усиление по напряжению двух фотодетекторов,путем использования на первом детекторе нагрузки 100 кОм и на втором — нагрузки200 кОм. Эти два приблизительно равных выходных напряжения затем вычитались и усиливалисьв 10 раз с помощью дифференциального усилителя PAR модели 113. После этого выходнойсигнал усилителя анализировался спектроанализатором Tektronix 7LS. Прибор был протестированна калибраторе гидрофонов NRL G19 путем наблюдения за отношением сигнал/шум в приборе, подвергавшемсявоздействию акустических волн известной интенсивности и частоты. Фактические акустическиеинтенсивности проверялись при помощи калиброванного электрического гидрофона CH-17UT. Измерения показали, чтодинамический диапазон прибора превышает 120 дБ (где напряжение пропорционально давлениюи дБ = 20 logV). Также было определено минимальноеобнаружимое давление 47 дБ относительно 1 мкПа//> при500 Гц. Кроме того, было установлено, что определение разности двух выходных сигналовобеспечивает подавление амплитудного шума от 10 до 12 дБ по сравнению с одноканальнойхарактеристикой, что указывает на значительный амплитудный шум гелий-неонового источника.Хотя из-за отсутствия компенсации статического давления возможности применения данногоакустического датчика ограниченны, он продемонстрировал, что по своим характеристикамволоконно-оптические акустические датчики могут сравняться или превзойти существующиеэлектрические датчики.
Первая демонстрация волоконно-оптических акустических измерений наоснове эффекта фотоупругости привела к демонстрации системы, в которой была реализованаи протестирована волоконно-оптическая гидроакустическая антенная решетка на основеэффекта фотоупругости с компенсацией по температуре и статическому давлению, состоявшаяиз четырех отдельных преобразователей с общим оптическим источником и модулем регистрации.Процесс разработки, создания и тестирования действующей системы был слишком длинным,и его невозможно здесь подробно описать. Но каждому желающему выполнить дополнительнуюработу в этой области рекомендуется ознакомиться с заключительным отчетом по этойтеме, спонсируемой лабораторией по морским исследованиям, как с практической иллюстрациейпроблем, которые приходится преодолевать при создании реальных систем.
Из приведенного выше описания волоконно-оптических датчиков на основеэффекта фотоупругости понятно, что существует широкий спектр потенциальных возможностейих применения. Как правило, эти датчики кодируют изменения исследуемого параметрачерез изменения интенсивности регистрируемого оптического сигнала. Чтобы исключитьошибки, вызываемые изменениями оптической интенсивности, не обусловленными изменениямиисследуемого параметра, необходимо использовать какой-либо внутренний опорный сигнал,а если это невозможно, то откалибровать датчик и поддерживать калибровку в течениевсего времени эксплуатации. Продемонстрировано множество методов использования внутреннегоопорного сигнала, часто в сочетании с мультиплексированием. Сочетание этих методовмультиплексирования и использования внутреннего опорного сигнала с продемонстрированнымидатчиками позволяет уже в настоящее время использовать датчики на основе эффектафотоупругости, если анализ отношения эффективность/стоимость показывает, что такиесистемы предлагают достаточно существенные преимущества, чтобы преодолеть инерциюприменения более традиционных электрических систем. Кроме того, предметом исследованийявляются альтернативные способы кодирования измерительной информации по длине волны,а не по интенсивности. Однако работа в этой области ограничена из-за отсутствиянадежных широкополосных твердотельных источников, совместимых с волоконной оптикой,и трудностей обеспечения точной и эффективной по стоимости обработки модулированногосигнала. Современные разработки оптических излучателей/детекторов позволяют предположить,что спектральное кодирование может стать более реализуемым на практике, чем в прошлом,и по этой причине сейчас мы вернемся к анализу типа датчиков, использующих модуляциюпо длине волны для кодирования информации о положении.
2.2 Измерение параметров светового излучения
Для большинства оптических датчиков важной характеристикой являетсяих способность изменять параметры светового излучения (например, интенсивность)под действием управляющих сигналов, которая называется модуляцией света. Управляющиесигналы могут иметь различную природу. Приведем некоторые из них: температура, химическиевещества с разными коэффициентами преломления, электрические поля, механическоенапряжение и т.д. В этом разделе будет рассматриваться модуляция света под действиемэлектрических сигналов и акустических волн.
/>
Рисунок 2.9-Электрооптический модулятор, состоящий из двух поляризационныхфильтров и кристалла
Коэффициент преломленияв некоторых кристаллах зависит от приложенного электрического поля. Это объясняетсяприродой распространения лучей света внутри кристалла. Обычно допустимые направленияполяризации света определяются симметрией кристалла. Приложенное к кристаллу внешнееэлектрическое поле может изменить эту симметрию, и, следовательно, привести к модуляцииинтенсивности света. Одним из часто используемых материалов в электрооптическихустройствах является ниобат лития (LiNbO3). На рисунке 2.9 показан электрооптический модулятор,состоящий из кристалла, расположенного между двумя поляризационными фильтрами, ориентированнымипод углом 90° друг к другу Входной поляризатор ориентирован под углом 45° к осикристалла .
/>
Рисунок 2.10-Акустикооптическиймодулятор, создающий множество лучей
На поверхностькристалла прикреплены два электрода, при изменении напряжения на которых происходитизменение поляризации падающего света на втором поляризаторе, что, в свою очередь,ведет к модуляции интенсивности выходного излучения Подобный эффект можно наблюдать,когда кристалл подвергается воздействию механических сил, особенно, акустическихволн. Однако акустико-оптические устройства используются в оптоволоконной технике,в основном, в качестве оптических фазовращателей и сравнительно редко как модуляторыинтенсивности излучений. Акустические волны, проходя через кристалл, вследствиеэффекта фотоупругости вызывают в нем механические напряжения, линейно изменяющиеего коэффициент преломления. Это, в свою очередь, при определенных условиях приводитк отклонению выходящих оптических лучей, также проходящих через этот кристалл (Рисунок2.10) Таким образом, акустические волны создают для лучей света как бы дифракционнуюрешетку. Акустикооптические устройства часто изготавливаются из ниобата лития икварца, которые способны работать с акустическими волнами в широком частотном диапазоне:от десятков МГц до нескольких ГГц. Скорость звука через ниобат лития составляетпорядка 6х103м/с, поэтому 1-ГГц акустическая волна, имеющая длину волны6 мкм, сравнима с излучением в И К спектральном диапазоне.
/>/>/>/>/>2.3Измерение ускорения
На рисунке 2.11приведена структурная схема датчика ускорения,работающего по тому же принципу, что и датчик давления. Здесь также груз прикрепленнепосредственно к фотоупругому элементу. При колебаниях на фотоупругий элемент действуетсила, пропорциональная произведению массы груза на ускорение,
/>
Рисунок 2.11-Датчик ускорения на основе эффекта Фотоупругости
Если к фотоупругому элементу из эпоксидной смолы прикрепить груз 25г, го можно мерить ускорения 0,1...30g с точностью ±1 % для колебаний с частотой 0 ..3 кГц.Если же массу груза увеличить до 280 г, то минимальное измеряемое ускорение будет0,0lg (при отношении сиг нал— шум40 дБ), а частотная полоса в = 500 Гц.
Заключение
В данной курсовойработе описана общая характеристика фотоупругого эффекта, а также методы измеренияпараметров светового излучения, давления и ускорения с помощью фотоупругого эффекта.
Список использованныхисточников
1. Волоконно-оптические датчики.Вводный курс для инженеров и научных работников. Под ред. Э. Удда. Москва: Техносфера,2008.-520с.
2. Р.Г. Джексон. Новейшиедатчики.- М: Техносфера, 2007.-384с.
3.Дж.Фрайден. Современные датчики. Справочник.- Москва: Техносфера, 2005. — 592c.