ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОЛУЧЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ. В. Н. Седалищев. В. Н. Седалищев

В. Н. Седалищев

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОЛУЧЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ

Ч.2 Колебания и волны в измерительной технике

Учебное пособие

Рекомендовано УМО по образованию в области приборостроения и оптотехники для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению 200100 «Приборостроение»

Издательство АлтГТУ

Барнаул · 2014

УДК 681.5 (075)

Седалищев В.Н., Физические основы получения информации: учебное пособие / Алт. гос. техн. ун-т им. И.И. Ползунова. – Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2014. - Ч.2. Колебания и волны в измерительной технике. – 295 с.

В учебном пособии рассматриваются вопросы анализа и синтеза измерительных устройств, основанных на использовании колебательных и волновых процессов, изложены физические принципы, методы разработки и варианты практического исполнения широкого спектра датчиков данного типа.

Рецензенты:

А.А. Веряев, д.п.н., профессор кафедры «Информационные технологии» Алтайской государственной педагогической академии;

Б.С. Первухин, д.т.н., гл. инженер ООО «Сибпромприбор-Аналит».

Введение

Колебания и волны являются фундаментальными явлениями, присущими любым реальным физическим, химическим, биологическим и другим системам. Для получения первичной информации о состоянии различных объектов с помощью измерительных устройств, основанных на реализации колебательных и волновых процессов в системах различной природы, используется большое разнообразие принципов построение первичных измерительных преобразователей. Для повышения информативности таких устройств широко используют высокочувствительные резонансные методы измерения, автоколебательные и автоволновые процессы в системах с конечным числом степеней свободы и в системах с распределенными параметрами. При этом в большинстве случаев реализуются колебательные процессы с малой амплитудой, для которых выполняется принцип суперпозиции – для аддитивных воздействий получается аддитивный отклик. Что позволяет для описания физических процессов в таких устройствах применять упрощенные линейные математические модели.

Как известно, большинство научных дисциплин выделяют свой предмет, отправляясь от физической природы исследуемого объекта (механика, электродинамика, оптика, физика твердого тела и др.). Принципиальное отличие изложения материала в данном учебном пособии состоит в том, что изучаемые физические процессы характеризуются колебательной или волновой динамикой безотносительно к физической сущности рассматриваемых явлений. В связи с этим в данном учебном пособии рассматриваются вопросы классификации колебательных и волновых процессов в различных средах, построения математических моделей для их описания и выявления закономерностей.

Глава 1. Физическая природа и основные закономерности генерации колебательных и волновых процессов в системах различной природы

Одними из самых распространенных типов движения в при роде являются колебания и волны. Существует единство колебательных и волновых процессов самой различной природы. Общие свойства реальнызх систем устанавливаются на основе анализа их моделей, основной из которых является осциллятор.

Виды колебаний

Колебательные процессы имеют свою специфику. Например, выделяют следующие виды колебаний (рис. 1.10):

Рисунок 1.4 Виды колебаний.

В самом простом случае, когда зависимость динамической переменной от времени задается функцией синуса (косинуса), говорят о гармонических колебаниях:

. (1.1)

Здесь х – динамическая переменная, постоянная А характеризует интенсивность, «размах» колебаний и называется амплитудой, величина ω называется частотой, она связана с периодом колебаний Т соотношением . Величина φ является начальной фазой колебательного процесса.

Приведенное в начале «определение» колебаний очень широкое и подразумевает дальнейшую конкретизацию и детализацию. Колебания подразделяются, например, на затухающие, гармонические и негармонические (ангармонические), релаксационные, квазипериодические, хаотические и т.п.

Периодические, детерминированные колебания, в свою очередь, также имеют определенные разновидности.

Свободные (затухающие) колебания и автоколебания (не затухающие) происходят с максимальной амплитудой на одной из собственных частот системы:

- для электрических и - для механических колебательных систем.

Вынужденные колебания происходят с частотой, отличающейся от собственной частоты системы ( ). При этом амплитуда колебаний зависит от добротности системы и относительной расстройки частот. Например, для электрического контура можно записать:

(1.2)

Частота нелинейных колебаний зависит от амплитуды (х):

. (1.3)

Параметрические колебания могут возбуждаться в колебательной системе при периодическом изменении одного из ее параметров. Причем явление параметрического резонанса устанавливается при совпадении частоты накачки равной удвоенной собственной частоте контура. Примером такой системы может служить маятник с периодически изменяемой длиной нити. В электрическом колебательном контуре для обеспечения параметрического резонанса можно модулировать, например, емкость:

. (1.4)

Релаксационные колебания устанавливаются в системах с низкой добротностью.

Связанные колебания возбуждаются в системах со многими степенями свободы. Энергия между взаимодействующими осцилляторами может передаваться через массу (индуктивность), жесткость (емкость), сопротивление (резистор). В реальных системах связь в общем случае имеет инерционно-упруго-диссипативной (индуктивно-емкостно-резистивной) характер. При этом она может быть внешней, внутренней или смешанной. Недетерминированные, стохастические колебания в диссипативных нелинейных системах также могут синхронизироваться. Связанные колебания в нелинейных системах могут привести к появлению достаточно сложных нелинейных режимов и являются физической основой всего многообразия процессов, протекающих в живой и неживой природе (биологии, технике).

Примеры практического применения электромеханических первичных измерительных преобразователей

На основе электромеханических резонаторов создают различные типы измерительных преобразователей, реализуя при этом механизмы чувствительности:

· тензочувствительность (измерение усилий, деформаций);

· массчувствительность (измерение влажности, состава газа);

· термочувствительность (измерение температуры, тепла);

· акусточувствительность (давление, состав сред).

Одними из первых, нашедших широкое практическое применение, и наиболее конструктивно простыми являются резонансные преобразователи на основе вибрирующих струн. При высокой жесткости струны частота ее поперечных колебаний определяется как:

, (2.15)

где Т – усилие натяжения; μ – погонная масса струны;

l – длина струны.

Для струн используют провода, сделанные из вольфрама, индия или упругой стали, а также из сплавов, например, «Элинвар». При прохождении переменного тока через провод, установленный в постоянном магнитном поле, возникают механические колебания проводника с током.

Область применения таких устройств – измерение усилий, массы, силы натяжения, давления. На рис. 2.7 показана конструкция датчика давления на основе двойной мембраны.

Рисунок 2.7 Варианты конструктивного исполнения датчиков вибрационного типа

Для измерения плотности жидкости используют крутильно-вибрационные колебания стержней, для измерения вязкости – резонаторы в виде прямоугольных пластин.

Также на рисунке 2.7 приведена конструкция датчика плотности раствора. В верхней части устройства расположен пьезоэлектрический генератор крутильных колебаний стержня, частота которых пропорциональна корню квадратному от плотности раствора.

Для непосредственного измерения вязкости жидких сред используют затухание электромеханических вибраторов, возбуждаемых и контролируемых с помощью магнитострикционных преобразователей (рис 2.7). При частоте продольных колебаний резонатора в пределах нескольких десятков килогерц проникновение волнового движения в жидкость составляет несколько микрометров. Используются также резонаторы на основе возбуждения изгибных колебаний в пластинах из металла или керамики, например, при измерении скорости потока.

Для измерения плотности потока применяют устройства с использованием колеблющихся труб, цилиндров (рис 2.8).

Рисунок 2.8 Конструкции плотномеров вибрационного типа

В последнее время все большее распространение приобретают устройства на основе эффекта Кориолиса, возникающего в колеблющихся трубах U – образной формы (рис. 2.9).

Рисунок 2.9 Конструкции первичных преобразователей, основанных на эффекте Кориолиса

Свойства ультразвука

Рассмотрим наиболее важные свойства УЗК: направленность УЗК, ближняя и дальняя зоны преобразователей, отражение УЗК от несплошностей, затухание, трансформация УЗК.

Рисунок 2.10 Структура ультразвукового поля излучателя: а — акустическое поле; б — изменение интенсивности вдоль луча; в — диаграмма направленности

Направленность УЗК. При излучении пьезоэлементом импульса УЗК в среде возникает УЗ-поле, которое имеет вполне определенные пространственные границы. Угол расхождения зависит от соотношения длины волны и диаметра излучателя 2а:

(2.20)

Для малых углов направленность УЗ-поля тем выше, чем больше произведение af.

Направленность УЗ-поля удобно представлять в виде графика в полярных координатах, называемого диаграммой направленности. Диаграмма характеризует угловую зависимость амплитуды поля в дальней зоне. Полярный угол отсчитывают от полярной оси, совпадающей с направлением излучения максимальной амплитуды.

Диаграмму направленности прямого преобразователя выражают через цилиндрическую функцию Бесселя (первого рода и первого порядка):

(2.21)

Анализ этого выражения показывает, что с увеличением или af направленность поля возрастает. При >0,6 в диаграмме, кроме основного, возникают боковые лепестки. Однако в них обычно сосредоточена малая часть (до 20 %) излучаемой энергии.

Ближняя и дальняя зоны. Приведенная выше формула показывает направленность УЗ-пучка в так называемой дальней зоне или зоне Фраунгофера. В ближней зоне, называемой зоной Френеля, амплитуда поля осциллирует (изменяется) как вдоль оси, так и по сечению пучка, а УЗ-волна при этом распространяется почти без расхождения.

Протяженность ближней зоны для цилиндрического излучателя:

Из формулы видно, что увеличение диаметра излучателя, сужая направленность пучка, увеличивает ближнюю зону преобразователя.

Отражение от границы раздела сред, несплошностей. Это свойство УЗ-волн служит основой для их использования, например, в эхо-импульсном методе дефектоскопии материалов. При падении волны на поверхность раздела двух сред в общем случае часть энергии проходит во вторую среду, а часть отражается в первую. Если УЗ-волна перпендикулярна к границе двух сред, то проходящая и отраженная волны будут такого же типа, что и падающая.

Коэффициент отражения R как отношение интенсивностей отраженной и падающей волн зависит от соотношения удельных акустических сопротивлений первой и второй сред:

(2.22)

Из формулы следует, что R не зависит от направления УЗК через границу раздела сред. Коэффициент прохождения волны D=1-R. Чем больше разница в акустических сопротивлениях, тем больше интенсивность отраженной волны.

Наличие несплошности также влияет на отражение УЗ-волн. Однако заполненные воздухом трещины раскрытием мм отражают около 90% падающей энергии УЗК. Можно считать, что пределом выявляемости трещин служат несплошности раскрытием . Если размеры дефектов малы, то УЗ-волны огибают небольшую несплошность без существенных отражений.

Свойство отражения УЗ-волн служит основой для выявления несплошностей в металлах, поскольку акустические свойства таких дефектов, как поры, шлаки, непровары, существенно отличаются от свойств основного металла. Коэффициент отражения от трещин, несплавлений и пор близок к единице, если величина их раскрытия более 10-4 мм, а поперечный размер соизмерим с длиной волны. Для шлаков R= 0,35 — 0,65 в зависимости от марки флюса.

Оксидные плены, особенно в сварных швах алюминиевых сплавов или при контактной сварке, выявляются плохо, несмотря на их достаточно большое раскрытие и протяженность. Причиной этого является близость акустических свойств дефекта и металла. Стандартная УЗ-аппаратура позволяет уверенно выявлять несплошности площадью S>1мм2. При увеличении частоты УЗК можно выявлять несплошности и с меньшей площадью, но при этом значительно повышается затухание УЗК.

Затухание. Коэффициент затухания возрастает с увеличением частоты не линейно, а в повышенной степени. Причем коэффициент затухания различен для различных материалов и складывается из коэффициентов поглощения и рассеяния Поглощенная звуковая энергия переходит в теплоту. Рассеянная энергия остается по форме звуковой, но уходит из направленного пучка, отражаясь от неоднородной среды. В однородных средах (пластмасса, стекло) затухание определяется главным образом поглощением ультразвука: Причем пропорционально f . В металлах рассеяние преобладает над поглощением: бр>бп. Коэффициент рассеяния в металлах зависит от соотношения средней величины зерен D и длины l УЗ-волны. Увеличение размера зерен приводит к росту затухания УЗК, при этом Для того чтобы рассеяние УЗК на зернах не искажало результаты дефектоскопии, практически необходимо иметь l>(10...100)D. Если это условие выполняется по верхнему пределу (l>100D), то можно обычно контролировать металл на глубину вплоть до 8 — 10 м и даже более.

При распространении УЗ-волн в металлах возможна реверберация — постепенное затухание колебаний, обусловленное повторными отражениями. Реверберация может быть объемной (из-за многократного отражения колебаний от поверхностей, ограничивающих контролируемое изделие) и структурной (из-за многократного отражения и рассеяния колебаний границами зерен металла).

Рассеяние УЗК значительно зависит от анизотропии кристаллов. При этом скорость по одной из осей кристалла или зерна существенно отличается от скорости вдоль его другой оси. У алюминиевых сплавов и у сталей упругая межзеренная анизотропия кристаллов обычно мала. У нержавеющих (аустенитных) сталей и чугуна явления межзеренной анизотропии резко выражены, что приводит к рассеянию УЗК и плохой прозвучиваемости этих материалов.

Зависимость коэффициента затухания от величины зерна используют для измерения размеров зерна. При этом принимают диапазон волн примерно в области l=(4-10)D. Коэффициент затухания выражают либо в децибелах на метр (дБ/м), либо в неперах на метр (Нп/м). Затухание 1 Нп/м означает, что на расстоянии 1 м амплитуда волны уменьшается в е раз (е=2,718 — основание натуральных логарифмов, или число Непера). Эти единицы связаны соотношением 1 Нп/м = 8, 68 дБ/м.

В практике УЗ-дефектоскопии коэффициент затухания часто измеряют в Нп/см или, что то же самое, в см-1. Вследствие значительной зависимости коэффициента затухания ультразвука от величины зерна металла этот коэффициент имеет весьма большие колебания в тех изделиях, которые склонны к образованию разнозернистой структуры, например в крупногабаритных поковках из аустенитной стали.

С ростом частоты коэффициент затухания увеличивается, поэтому крупнозернистые металлы прозвучивают обычно на более низких частотах 0,5—1,8 МГц.

Трансформация УЗК. Рассмотренные выше процессы отражения УЗ-волн относились к нормальному их падению на границу раздела сред. При контроле сварных швов применяют, как правило, наклонные преобразователи с вводом УЗК под некоторым углом к вертикали.

Рисунок 2.11 Отражение и преломление продольной волны на границе раздела двух твердых сред

В общем случае при падении продольной волны наклонно под углом к границе двух твердых сред происходит трансформация (расщепление) этой волны (рис. 2.6, а). Возникают две преломленные волны (продольная и поперечная ) и две отраженные и . Углы преломления и отражения зависят от скоростей соответствующих волн в данных средах (закон Снеллиуса). Записанный только для преломления волн этот закон имеет вид

(2.23)

При увеличении угла падения , который соответствует углу плексигласовой призмы в наклонных преобразователях, углы ввода УЗК в металл и также меняются и вся диаграмма как бы поворачивается против часовой стрелки вокруг точки 0. При этом сначала возможно исчезновение в прозвучиваемом металле луча , а потом — луча . Углы , соответствующие исчезновению продольной, а затем поперечной волн в металле, называют соответственно первым и вторым критическими углами. Значению отвечает угол , а значению угол

При УЗ-дефектоскопии сварных швов во многих случаях целесообразно вводить в металл только поперечную волну. Поэтому угол призмы наклонных преобразователей выбирают обычно в интервале между двумя найденными выше критическими значениями:

Поправку на 2—5° вводят для большей помехозащищенности контроля: в первом случае от продольной, а во втором — от поверхностной волны.

Акустический тракт. Процессы преобразования энергии УЗ-колебаний происходят в трех так называемых трактах УЗ-дефектоскопа: электроакустическом, электрическом и акустическом.

Электроакустический тракт — это участок схемы дефектоскопа, который состоит из пьезопреобразователей, демпферов, переходных и контактных слоев, электрических колебательных контуров генератора на входе приемника.

В электроакустическом тракте электрические колебания преобразуются в ультразвуковые и обратно, поэтому он определяет резонансную частоту УЗК, длительность зондирующего импульса и коэффициенты преобразования электрической энергии в акустическую.

Электрический тракт, определяющий амплитуду зондирующего импульса и коэффициент усиления, состоит из генератора и усилителя.

Акустическим трактом называют путь ультразвука от излучателя до отражателя в материале и от этого отражателя до приемника. Важная задача методики УЗ-контроля — расчет акустического тракта, т. е. оценка ослабления амплитуды эхо-сигнала в зависимости от акустических и геометрических параметров тракта.

Акустокапиллярный эффект

При распространении акустических волн высокой частоты (ультразвук, гиперзвук) в средах проявляются разнообразные дополнительные эффекты. Акустокапиллярный (звукокаиллярный) эффект – это явление аномально глубокого проникновения жидкостей в капилляры, поры и узкие щели под действием ультразвука. Если в наполненную жидкостью ультразвуковую ванну погрузить капилляр, то при определенной интенсивности ультразвука, подъем жидкости существенно (иногда в несколько раз) возрастает. Установлено, что жидкость поднимается по капилляру под действием ультразвука только при условии, что кавитационная область, состоящая из пульсирующих и захлопывающихся кавитационных газовых пузырьков (каверн), находится непосредственно под капилляром. Эффект обуславливается суммарным воздействием единичных импульсов давления, которые возникают при захлопывании кавитационных пузырьков. Скорость и высота подъема жидкости в капилляре зависят от числа захлопывающихся пузырьков в единицу времени, величины возникающих при этом сил, от трения жидкости о стенки капилляра, от вязкости жидкости. Поэтому звукокапиллярный эффект оказывается различным для разных жидкостей и разных по размеру и форме капилляров; его проявление меняется с изменением интенсивности ультразвука и с течением времени усиливается с приложением статического давления или содержанием избыточного давления в жидкости с градиентом в сторону капилляров. Положение захлопывающихся пузырьков в основании капилляров неустойчиво из-за интенсивности акустических течений, т.е. вихревых течений жидкости, возникающих в ультразвуковом поле. Например, уровень воды в стеклянном капилляре сечением 0,35∙0,35 мм² при звуковом давлении 2∙ Па (около 2 атм) на частоте 18 кГц в результате звукокапиллярного эффекта превышает уровень, обусловленный силами поверхностного натяжения (т.е. в отсутствии ультразвука), более, чем в 10 раз.

Увеличение интенсивности ультразвука и развитие акустических течений снижают эффект, и при звуковом давлении в пределах 15∙ Па подъем воды в стеклянном капилляре указанных размеров под воздействием ультразвука не происходит. Нарушение локализации в окрестностях основания капилляра кавитационных пузырьков и уход их из сечения капилляра приводит к мгновенному опусканию жидкости до уровня, определяемого действием сил поверхностного натяжения. Поддержание уровня жидкости в капилляре требует меньших (в 5 - 10 раз) затрат энергии ультразвуковых колебаний, т.к. при этом нет необходимости преодолевать силы вязкого трения жидкости о стенки капилляра.

Звукокапиллярный эффект получил широкое применение для осуществления и интенсификации самых различных технологических процессов. В частности, позволяет ускорить в десятки и сотни раз пропитку пористо-капиллярных тел, увеличить скорость и глубину заполнения щелей при производстве различных конструкций. Например, при пайке сложных изделий, благодаря способности обеспечить проникновение горячего припоя одновременно во все зазоры, резко повышается качество соединений; имеет место, в частности, при бесфлюсовой пайке трубчатых теплообменников.

Большинство процессов ультразвуковой обработки твердых тел в жидкости с использованием кавитационных явлений сопровождается усиленным проникновением жидкости в капиллярные щели твердых тел и расклиниванием их. Это относится к процессам ультразвуковых очисток, травлений, сверлений, к процессам кристаллизации и рафинирования в металлургии.

Звукокапиллярный эффект позволяет значительно ускорять процессы диспергирования и гидроабразивного разрушения порошкообразных материалов, проводимый на ультразвуковых установках, работающих под статическим давлением.

Акустоэммисионный эффект

Акустоэммисионный эффект – излучение упругих волн, возникающее в процессе перестройки внутренней структуры твердых тел. Акустическая эмиссия проявляется при пластической деформации твердых материалов, при возникновении и развитии в них дефектов, например при образовании трещин, при фазовых превращениях связанных с изменением кристаллической решетки, а так же при резании твердых материалов. Физическим механизмом, объясняющим ряд особенностей акустической эмиссии, является движение в веществе дислокаций и их скоплений. Дислокационные процессы, связанные с отрывом дислокаций от точек закрепления, торможением их у препятствий, возникновением и уничтожением отдельных дислокаций имеют существенно неравномерный, и даже прерывистый, характер. Это является причиной, обуславливающей излучение волн напряжения, т.е. акустической эмиссии. Соответственно акустическая эмиссия имеет «взрывной», импульсный характер; длительность импульса может составлять … с, энергия отдельного импульса - от до Дж.

В качестве источника акустической эмиссии можно рассматривать расположенный в глубине образца твердого тела элемент объема, испытывающий изменение напряженного состояния. Сигналы акустической эмиссии проявляются в виде колебаний поверхности образца, смещение при которых составляет … м; иногда эти сигналы достаточно сильны и могут восприниматься на слух (например, «крик олова» при пластическом деформировании этого материала).

Сигнал эмиссии, распространяясь от источника к поверхности образца, претерпевает существенное искажение вследствие дисперсии скорости звука, трансформации типа и формы волны при отражении, затухании звука. Если время затухания сигнала и время переходных процессов в образце меньше промежутка времени между излучаемыми импульсами, то эмиссия воспринимается в виде последовательности импульсов и называется дискретной или импульсной. Если же интервал между отдельными актами излучения меньше времени затухания, эмиссия имеет характер непрерывного излучения, в подавляющем большинстве случаев нестационарного, и называется непрерывной или сплошной. Дискретная эмиссия имеет место, например, при образовании трещин, непрерывная - в процессе резания. Частотный спектр акустических эмиссий весьма широк - он простирается от области слышимых частот до десятков и сотен МГц.

К основным параметрам, характеризующим акустическую эмиссию, относятся:

· общее число импульсов дискретной эмиссии за исследуемый промежуток времени;

· так называемая суммарная (или интегральная) эмиссия - число превышений сигналом эмиссии установленного уровня за исследуемый промежуток времени;

· интенсивность эмиссии - число превышений сигналом эмиссии установленного уровня в единицу времени;

· амплитуда эмиссии - максимальное значение сигнала эмиссии в течение заданного промежутка времени;

· уровень сигналов эмиссии - среднее квадратичное сигнала за рассматриваемый промежуток времени.

Корреляцию этих параметров с развитием дефектов устанавливают при лабораторных испытаниях образцов, в процессе которых регистрируют в функции времени параметры акустической эмиссии и действующую внешнюю силу или деформацию образца.

Рисунок. 2.19 Зависимость интенсивности акустической эмиссии (N) и ее амплитуды (A) на выходе преобразователя от времени при возрастании приложенной к образцу растягивающей силы (P)

Если акустическая эмиссия имеет квазистационарный характер, параметром эмиссии, дающим информацию о состоянии материала и о происходящих в нем процессах, может служить ее частотный спектр.

Для регистрации параметров акустической эмиссии, а также для записи формы сигналов и их длительности применяют специальную аппаратуру, которая обеспечивает прием слабых сигналов эмиссии на фоне шумов, обладает необходимым быстродействием (интенсивность эмиссии меняется в пределах от 0 до импульсов в секунду) и малыми собственными шумами. В качестве приемников колебаний в большинстве случаев используются пьезокерамические преобразователи; оптические интерференционные методы измерения колебаний с применением лазерного излучения. Сигналы с датчиков колебаний усиливают и подвергают дальнейшей обработке с помощью электронной аппаратуры.

Эффект акустической эмиссии широко используется:

· в информационно-измерительных системах раннего распознавания трещин,

· при испытаниях материалов на ползучесть,

· для выявления скрытых дефектов на стадии их зарождения,

· для исследования коррозии металлов под напряжением,

· для определения дефектов в металлических и неметаллических композиционных материалах,

· для локации дефектов и изучения кинетики развития трещин в сварных швах и др.

По параметрам эмиссии судят о процессах в кристаллических телах, происходящих при их нагревании и охлаждении. Например, регистрируют в металлических материалах фазовые превращения мартенситного типа. Акустическая эмиссия используется также при выборе режимов резания металлов. В производственных условиях методы акустической эмиссии применяются для локализации и определения параметров дефектов и наблюдения за их развитием при испытаниях сосудов высокого давления, элементов конструкции различного типа.

Примеры использования электрических колебательных контуров и волноводов для целей измерения

Электрические колебательные контуры и волноводы широко применяются в качестве первичных преобразователей при измерении различных физических величин. Высокая чувствительность измерительных устройств данного типа достигается за счет реализации резонансных режимов работы.

Для описания принципа их работы могут быть использованы достаточно простые соотношения:

, , (3.3)

Эти зависимости определяют основные параметры колебательной системы преобразователей, которые функционально связаны с измеряемыми физическими величинами.

Например, измеряя резонансную частоту электрического колебательного контура можно с высокой точностью определять значения емкостей или индуктивностей, включенных в измерительную цепь:

, . (3.4)

Эталонный конденсатор ( ) градуируют в значениях измеряемого параметра. Основными источниками погрешности таких измерений являются неточность настройки резонансной частоты колебательного контура, нестабильность частоты генератора колебаний, погрешность эталонного конденсатора.

Данный метод применяется для измерения относительно малых значений емкости (до 1 nF). Измерение по индуктивности принципиально возможно, но на практике не используется из-за трудности изготовления эталонных переменных катушек индуктивности.

Можно выделить два основных класса таких приборов. Это приборы, принцип работы которых основан на модуляции параметров электрических колебательных контуров и радиоволновые измерительные устройства.

Очевидно, что преобразователи, реализующие режимы стоячих волн по длине волновода, могут быть отнесены как к колебательным, так и к волновым устройствам.

Принцип работы радиоволновых устройств основан на управлении параметрами электрической измерительной цепи, условиями взаимодействия электромагнитной энергии с исследуемым веществом. При создании радиоволновых измерительных преобразователей чаще всего используют высокочастотный диапазон электромагнитных колебаний (СВЧ - диапазон), так как с повышением частоты уменьшается длина волны, что определяет высокую разрешающую способность устройства, уменьшаются габаритные размеры преобразователей.

Первичные преобразователи такого типа отличаются большим разнообразием конструктивных исполнений. Например, это могут быть: полый объемный резонатор, система излучающих или принимающих антенн, электродов, а также специальные конструкции волноводов, используемых в качестве чувствительных и передающих элементов.

Например, на основе протяженного волновода можно создать устройство для измерения уровня жидких и сыпучих сред.

Рисунок 3.2 Устройство и рабочая характеристика принцип работы радиоволнового датчика уровня

Принцип работы такого устройства основан на влиянии магнитных, диэлектрических и диссипативных свойств окружающей среды на характеристики волновода. В результате изменения измеряемого уровня изменяются затухание волновода, резонансная частота контура, его входное сопротивление и т.д. Первичный преобразователь такого устройства представляет собой зашунтированный конденсатором в начале и закороченного в конце линии участок волновода. Такие участки и кратные им линии подобны колебательным контурам (резонансные линии). Реактивное сопротивление линии при изменении ее длины периодически изменяется от нуля до бесконечности.

В качестве выходных параметров преобразователя используют: изменение сопротивления контура при неизменной частоте колебаний; изменение резонансной частоты или положение узлов и пучностей по длине линии.

Математическая модель данного измерительного устройства может быть представлена в виде упрощенной функциональной зависимости:

. (3.5)

В непроводящих жидкостях по мере погружения волновода в среду частота автоколебаний убывает, а в электропроводящих жидкостях, наоборот, растет. При измерениях необходимо учитывать изменение электропроводности среды.

Необходимо учитывать, что на высоких частотах проявляет себя скин-эффект, т.е. происходит вытеснение электромагнитной энергии к поверхности проводника, поэтому волноводы часто выполняют полыми. При согласовании геометрических размеров волновода с рабочей частотой измерительного преобразователя по его длине устанавливается режим стоячих волн, в результате чего в объеме резонатора происходит взаимодействие электрического и магнитного полей. С учетом того, что энергия волновода может сильно излучаться в окружающую среду, для подключения таких устройств применяют коаксиальный кабель с наружным экраном.

В качестве первичного измерительного преобразователя используют диэлектрические волноводы (задают только направление распространения волн), гребенчатые и другие конструкции замедляющих волноводов (например, жилы внутри преобразователя имеют спиралеобразную форму).

Радиоволновые измерительные устройства характеризуются следующими особенностями:

сильное излучение в окружающую среду;
наличие паразитных связей;
нужно учитывать скин-эффект;
электромагнитная энергия распространяется вне провода;
применимы законы геометрической оптики;
используют для исследования характеристик материалов, сред изделий, расстояний, уровней и т.п.;
исследуемая среда может находиться внутри и снаружи волновода;
для повышения чувствительности реализует режимы стоячих (резонансные линии) и бегущих волн;
используют явления отражения и преломления волн.

Например, в устройстве для измерения уровня используется радиоволновый преобразователь, реализующий режим стоячей волны по длине волновода.

Принцип действия датчиков уровня радарного типа иллюстрируется рисунком 3.3 Электромагнитный импульс распространяется по волноводу и отражается от поверхности жидкости, обладающей более высокими диэлектрическими свойствами, чем воздух или пар. Быстродействующая схема синхронизации обеспечивает измерение времени распространения сигнала и вычисляет точный уровень жидкости

Рисунок 3.3. Внешний вид и основные типы датчиков уровня радарного типа.

Фоторезисторы

Фоторезистор - полупроводниковый элемент, изменяющий свое электрическое сопротивление под действием внешнего излучения. Его принцип действия основан на внутреннем фотоэффекте в полупроводниках. Фоторезистор представляет собой слой (или пленку) полупроводникового материала на подложке (или без нее) с нанесенными на него электродами, посредством которых прибор подключается к электрической цепи. Под действием потока излучения, падающего на рабочую поверхность фоторезистора, его внутреннее сопротивление уменьшается вследствие генерации пар свободных носителей заряда (электронов и дырок), за счет чего увеличивается электропроводность полупроводника.

В качестве фоточувствительного материала в отечественных фоторезисторах широкого применения используются сульфиды и селениды кадмия и свинца (CdS, PbS, CdSe, PbSe). Материалы на основе кадмия чувствительны к излучениям в видимой и ближней инфракрасной областях, а на основе свинца - на длинах волн 1-5 мкм. Представление о параметрах и характеристиках фоторезисторов, выпускаемых отечественной промышленностью, можно получить, ознакомившись с данными таблице 5.4.

Таблица 5.4 Параметры некоторых отечественных фоторезисторов

Фоторезистор	Материал	Размеры элемента, мм	Темновое R_т сопротивление, МОм	R_т/R_св не менее	Темновой ток, мкА	Ток (при E = 200 лк), мА
ФСK-0	CdS	4ґ7,2	1	140	15	15
СФ2-1	CdS	0,5ґ1,5	15	1000	1	1
ФПФ7-1	CdS	3,7ґ2	6	50	6	0,3
ФСД-1	CdSe	4ґ7,2	2	150	10	1,5
СФ3-2	CdSe	6ґ12	5	500	1	0,5
ФСА-4	PbS	4ґ6	0,04	1,2	Сведений нет	Сведений нет
СФ4-3Д	PbSe	3ґ3	0,2	Сведений нет	Сведений нет	Сведений нет

Световая характеристика фоторезистора I(Ф) линейна при небольших световых потоках, что соответствует закону Столетова, установившего, что число электронов, освобожденных светом за 1 с (т.е. ток), прямо пропорционально световому потоку при неизменном его спектральном составе: I = SФ, где I - фототок, Ф - световой поток, S - коэффициент пропорциональности, называемый чувствительностью фотоприемника.

Фоторезистор ведет себя как омическое сопротивление, т.е. его сопротивление не зависит ни от приложенного напряжения, ни от его знака.

При малых значениях освещенности сопротивление фоторезистора существенно зависит от температуры. Столь же заметным недостатком фоторезисторов при малых освещенностях является инерционность - при освещенности менее 1 лк время установления нового значения может составлять несколько секунд.

Достоинством фоторезисторов является высокая чувствительность, сравнимая с чувствительностью фотоумножителей. К положительным характеристикам фоторезистора следует отнести возможность создания рабочих поверхностей приемника различной площади и протяженности, что позволяет использовать их в качестве элемента управления довольно значительными токами и в качестве датчиков перемещений объектов контроля в диапазоне нескольких миллиметров.

Фотодиоды

Фотодиод - фоточувствительный полупроводниковый диод с р-n-переходом (между двумя типами полупроводника или между полупроводником и металлом). При освещении р-n-перехода в нем возникают электронно-дырочные пары. Направление тока носителей совпадает с направлением обратного тока перехода, т.е. с ростом освещенности возрастает обратный ток фотодиода.

Фотодиод может работать в двух режимах - фотодиодном и фотогенераторном. В фотодиодном режиме прибор подключается к источнику питания, при этом на анод должен подаваться «-», а на катод «+». Этому режиму соответствуют зависимости в III квадранте вольт-амперной характеристики. Зависимости, приведенные в IV квадранте, отражают фотогенераторный режим работы, когда фотодиод может использоваться без источника питания, так как сам становится источником фотоэдс, генерируя (под действием света) носители зарядов - свободные электроны. Благодаря этому фотодиод пригоден для получения электроэнергии (один фотодиод способен генерировать напряжение в диапазоне 0 - 0,4 В в зависимости от тока нагрузки, как правило, микроамперного). Материалом для изготовления фотодиодов часто служат германий и кремний. Спектральная чувствительность германиевых фотодиодов находится в диапазоне 0,5-1,7 мкм (с максимумом на длине волны 1,2 - 1,65 мкм), а кремниевых - между 0,6 - 1 мкм (максимум на длине волны 0,8-0,95 мкм). Фотодиоды обладают большим быстродействием (особенно в фотодиодном режиме), чем фотосопротивления - они обычно способны реагировать на сигналы частотой до 10 МГц. Фотодиоды с p-i-n-переходом (введение области i повышает быстродействие) способны работать с высокочастотными сигналами порядка 1 ГГц . Характеристики некоторых отечественных фотодиодов приведены в таблице 5.5.

Таблица 5.5 Параметры некоторых отечественных фотодиодов

Фото- диод	Мате- риал	Размеры элемента, мм	Темновой ток, мкА	Рабочее напряжение, В	Максимальная спектральная чувствительность, мкм	Интегральная чувствительность, мА/лм
ФД-8K	Si	2ґ2	1,0	20	0,85–0,92	0,000006
ФД-27K	Si	1,9ґ1,9	1,0	20	0,80–0,95	0,0000075
ФД-256	Si	1,4ґ1,4	0,005	10	0,75–0,90	6,0
ФД-1	Ge	Ж 5	30,0	20	1,50–1,60	30,0
ФД-7Г	Ge	Ж 2,5	8,0	10	1,50–1,55	10,0

Благодаря простоте и миниатюрности конструкции, широкому спектру чувствительности, высокому быстродействию, возможности автономного (собственного) питания и вариантности схем включения фотодиоды нашли широкое промышленное применение в качестве датчиков положения, счета продукции, световых барьеров, высокочастотных преобразователей световых сигналов в электрические (в оптических линиях связи) и т.п.

Фотоэлементы

Фотоэлемент - полупроводниковый фотодиод, оптимизированный для прямого преобразования излучения в электрическую энергию. Для их обозначения часто используются также термины «солнечные элементы», «солнечные батареи». Солнечные элементы работают только в фотогенераторном режиме, функционально выступая в качестве электрических источников питания.

Рабочая площадка отдельного фотоэлемента может достигать площади в несколько квадратных сантиметров, а множество фотоэлементов, объединенных в батареи или панели, могут иметь (как, например, на космических станциях) площадь, измеряемую в квадратных метрах, вырабатывать напряжение в десятки вольт и давать ток в сотни ампер. Общеизвестно применение фотоэлементов в качестве датчиков освещенности в люксметрах и экспонометрах. Часто в качестве базового фоточувствительного материала в фотоэлементах используется селен или кремний. Параметры некоторых отечественных селеновых фотоэлементов представлены в таблице 5.6.

Таблица 5.6 Параметры некоторых отечественных селеновых фотоэлементов

Фотоэлемент	Площадь фоточувствительной площадки, см²	Фототок, мкА	Освещенность при измерении фототока, лк
Ф-32С	4,6	6	105
Ф-36С	2,85	40	250
Ф-42С	6,4	6	22
Ф-54С	27,0	110	100
Ф-54С	27,0	550	500

Вследствие больших площадей фоточувствительных поверхностей фотоэлементы обладают существенной инерционностью и поэтому применяются как фотоприемники лишь для контроля сравнительно медленно меняющихся световых потоков (или освещенности).

Фототранзисторы

Фототранзисторы представляют собой тип дискретных опто-электронных фотоприемников, наиболее характерными чертами которого являются наличие механизма встроенного усиления (отсюда высокая фоточувствительность) и схемотехническая гибкость, обусловленная наличием третьего (правда, не всегда выводимого), управляющего электрода. В схемах замещения фототранзистор рассматривается как транзистор с фотодиодом, включенным между базовой (анодом к базе) и коллектором этого транзистора (как правило, типа n-р-n). Ток фотодиода является базовым током транзистора и управляет током его коллектора.

Решение о том, нужно ли подключать к схеме (в которой используется фототранзистор) базовый электрод или оставить его неподключенным, зависит от выбранной схемы. Фототранзисторы, у которых базовый электрод вообще не выведен, иногда называют двойным фотодиодом.

Чувствительность фототранзистора значительно выше, чем у фотодиода, за счет внутреннего усиления (коэффициент усиления K_у обычно равен 50-200). Еще большее усиление может быть получено в составном фототранзисторе (K_у = 1000 - 10000). В то же время фототранзисторам присуща заметная инерционность (таблица 5.7), что ограничивает область их применения в основном устройствами автоматики и управления силовыми цепями.

Таблица 5.7 Сравнение параметров фотоприемников различных типов

Фотоприемник	Kоэффициент передачи, %	Полоса частот, МГц
Фотодиод	0,1	0–10
Фототранзистор	30	0–0,3
Составной фототранзистор	300	0–0,03

Спектральная чувствительность у фототранзисторов такая же, как у соответствующих фотодиодов. Область применения фототранзисторов схожа с областью применения фотодиодов, с учетом их меньшего быстродействия и большего коэффициента передачи, например, при слабых световых сигналах, при больших (в сравнении с фотодиодом) расстояниях между источником света и фотоприемником. Параметры некоторых отечественных фототранзисторов приведены в таблице 5.8.

Таблица 5.8 Параметры отечественных фототранзисторов

Фото-транзистор	Размеры элемента, мм²	Темновой ток, мкА, не более	Рабочее напряжение, В	Максимальная спектральная чувствительность, мкм	Интегральная чувствительность, мкА/лк	Импульсная постоянная времени, с
ФТ-1K	2,8	3	5	0,8–0,9	0,4	0,00008
ФТ-2Г	1,0	500	12–24	1,5–1,6	2,0	0,00001
ФТ-3	3,0	60	5–10	1,5–1,55	1,0	0,0001
ФТГ-5	3,0	50	5–10	1,5–1,55	1,0	0,00002
KТФ109А	2,0	Сведений нет	5	0,83	0,25 А/Вт	Сведений нет

Фототранзисторы применяют в качестве аналоговых и ключевых приемников излучения, а также в оптопарах.

Фототиристоры

Фототиристор - это тиристор, который включается воздействием светового потока. При освещении фототиристора в полупроводнике генерируются носители заряда обоих знаков (электроны и дырки), что приводит к увеличению тока через тиристор на величину фототока.

Фототиристор имеет четырехслойную р-n-р-n-структуру, которую, как и в обычном тиристоре, можно представить в виде комбинации двух транзисторов, имеющих положительную обратную связь по току. Переход фототиристора под действием светового управляющего сигнала из закрытого состояния в открытое осуществляется при достижении уровня тока срабатывания I_ср скачком после преодоления определенного потенциального барьера.

Основное достоинство фототиристоров - способность переключать значительные токи и напряжения слабыми световыми сигналами - используется в устройствах «силовой» оптоэлектроники, таких, как системы управления исполнительными механизмами, выпрямителями и преобразователями. Как и фототранзисторы, фототиристоры часто применяются совместно с подобранными по характеристикам излучателями, в виде оптопар.

Фотоэлектронные умножители

Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) - это усилитель слабых фототоков, действие которого основано на вторичной электронной эмиссии. Честь создания ФЭУ принадлежит нашему соотечественнику, физику Леониду Александровичу Кубецкому (1906-1959), который в 1930-1934 гг. разработал фотоумножитель для регистрации слабых электромагнитных излучений оптического диапазона. Конструктивно ФЭУ представляет собой стеклянный баллон с торцевым или боковым рабочим окном и расположенными внутри баллона электродами: катодом, чередой динодов и анодом. За катодом, как правило, располагается фокусирующий электрод.

Рисунок 5.7 Схема фотоэлектронного умножителя

Измеряемый поток света через рабочее окно попадает на катод, выбивая из него электроны (внешний фотоэффект). Согласно основному закону фотоэффекта фототок, возникающий в фотоэлементе под действием света, прямо пропорционален падающему на него световому потоку. Особенность ФЭУ как фотоприемника заключается в том, что благодаря системе динодов коэффициент пропорциональности удается поднять в миллионы раз (до восьми порядков). Для этого на ФЭУ подается напряжение от высоковольтного источника (в зависимости от количества динодов - от 500 до 1500 В), причем делитель напряжения распределяет потенциалы между электродами равномерно, ориентировочно по 100 В на каскад. Вылетающие из катода электроны под действием разности потенциалов между катодом и ближайшим к нему динодом притягиваются к последнему. Этому процессу способствует и фокусирующий электрод, концентрирующий поток электронов именно в этом направлении.

Диноды изготовлены из материалов, обладающих высоким коэффициентом вторичной эмиссии, так что поток электронов от динода к диноду возрастает многократно и по сопротивлению нагрузки в анодной цепи ФЭУ протекает усиленный ток, значение которого пропорционально потоку света, упавшему на катод.

Особенности конструкции (большие расстояния между электродами) предопределяют чрезвычайно высокое внутреннее сопротивление ФЭУ в темновом режиме и, следовательно, исчезающе малые темновые токи (шумы) - на уровне наноампер. Поэтому ФЭУ способен реагировать на самые слабые световые сигналы, вплоть до единичных фотонов. Это обстоятельство и дает при высокой интегральной анодной чувствительности (1 А/лм и выше) широкий динамический диапазон (определяемый отношением максимального и минимального сигналов) - более 10000.

Как известно, недостатки являются продолжением достоинств. ФЭУ не является исключением из этого правила. Высокая чувствительность предъявляет очень жесткие требования к стабильности условий измерения, в том числе и к стабильности питающего напряжения. Выполнить эти требования сложно, учитывая, что питание ФЭУ высоковольтное. К тому же высоковольтность фотоприемника требует дополнительных мер по согласованию сигнала ФЭУ с низковольтными полупроводниковыми элементами последующих преобразователей.

Таблица 5.9 Параметры отечественных фотоумножителей

Фотоумножитель	Размеры фотокатода, мм	Темновой ток, мкА, не более	Рабочее напряжение, В	Область спектральной чувст-вительности, мкм	Интегральная чувствительность, А/лм	Тип оптического входа
ФЭУ-22	16ґ5	0,02	1400	0,40–1,10	4,5	Боковой
ФЭУ-26	5ґ2	0,05	850	0,32–0,60	1,0	Боковой
ФЭУ-27	Ж 25	0,005	1100	0,32–0,75	1,0	Торцевой
ФЭУ-68	Ж 12	0,01	1300	0,30–0,82	1,0	Торцевой

Видиконы

В отличие от рассмотренных выше фотоприемников, как бы точечного типа (или дискретных, от discrete - рассматривать отдельно, расчлененно), существуют фотоприемники, которые способны воспринимать все изображение целиком, со всеми его перепадами яркостей, цветов, полутонов. К таким приемникам относится большой класс приборов, разработанных для телевидения, но представляющих интерес в данном случае как естественный (и исторический) мостик между вакуумными приборами (типа ФЭУ) и твердотельными матричными приемниками (типа приборов с зарядовой связью). В телевидении эти приборы называют передающими трубками.

Идея создания передающей трубки с фотопроводящей мишенью принадлежит нашему соотечественнику, электротехнику Александру Алексеевичу Чернышеву (1882-1940), который высказал ее в 1925 г. Однако первые эксплуатационные образцы таких трубок появились лишь в 1950 г., после того как были разработаны полупроводниковые слои, меняющие свою электропроводность под действием света. Примером такой передающей трубки является видикон.

Видикон - электронно-лучевой прибор с фотопроводящей мишенью, преобразующий оптическое изображение в электрический сигнал. В качестве фотопроводящего слоя, обладающего внутренним фотоэффектом, используются кремний, окись свинца, селенид кадмия и др. Часто наименование прибора связано с химическим составом фотопроводящего слоя; например, видикон с фотопроводящим слоем на основе кремния (Si) назван кремниконом, на основе свинца (Pb) - плюмбиконом, на основе кадмия (Cd) - кадмиконом.

Рисунок 5.8 Схема видикона

Основными элементами видикона являются фотомишень и электронный прожектор. Фотомишень представляет собой стеклянную пластину, закрепленную в торце передающей трубки, на которую нанесен тонкий прозрачный для света (прозрачность более 90%) проводящий слой золота, платины или другого проводника, поверх которого испарением в вакууме напылен фотослой толщиной 1-3 мкм из упомянутых выше материалов на основании Si (в случае кремникона) или иного полупроводника.

Выводом сигнальной пластины служит металлическое кольцо, электрически контактирующее с проводящим слоем пластины. В неосвещенном состоянии фотослой обладает очень высоким сопротивлением (около 1000 ГОм/см), так что две его стороны (одна из которых контактирует с проводящим прозрачным слоем и обращена к объекту съемки, а вторая «прощупывается» электронным лучом прожектора и обращена внутрь трубки) образуют как бы панель (матрицу) миниатюрных конденсаторов, площадь обкладки каждого из которых определяется диаметром электронного луча, пробегающего за цикл опроса (кадр) построчно все элементы (конденсаторы) фотомишени. Если элемент фотомишени освещен, то его сопротивление падает примерно в 100 раз, и элементарный конденсатор, будучи ранее заряженным, за время между опросами может разряжаться до уровня напряжения, зависящего от степени освещенности.

Электронный луч в видиконе одновременно выполняет роль развертывающего элемента и коммутатора цепи заряда каждого элемента мишени. Диаметр луча определяет разрешающую способность мишени. При размере мишени 9,5×12,5 мм и диаметре луча около 15 мкм площадь мишени как бы разлагается на 527300 (633×833) элементарных фотоприемников, что вполне достаточно для передачи высококачественного телевизионного изображения. Пучок электронов, испускаемый подогретым катодом и направляемый к мишени системой электродов (управляющих, первого и второго анодов, выравнивающей сетки) и электромагнитных сил корректирующих и фокусирующих катушек, замыкает цепь между катодом и «обкладкой» элементарного конденсатора, дозаряжая последний до потенциала катода. Ток заряда, пропорциональный разнице потенциалов катода и «обкладки» (которая, в свою очередь, пропорциональна падающему на элемент световому потоку), протекает по сопротивлению нагрузки R_н , создает выходной сигнал U_c .

Мишени видиконов отличаются большим разнообразием, но могут быть поделены на фоторезистивные и фотодиодные. В фоторезистивных мишенях процесс разряда определяется сопротивлением фотопроводящего слоя. В фотодиодных мишенях разряд определяется еще и свойствами р-n-перехода полупроводникового материала, что обеспечивает лучшее разделение световых носителей, большую линейность световой характеристики, безынерционность и высокую чувствительность. В частности, мишень кремникона представляет собой фотодиодную матрицу с мозаикой р-n-переходов (более 1000000 переходов).

Обладая несомненными достоинствами (многоэлементность восприятия изображения, быстродействие), видиконы сохраняют недостатки, присущие вакуумным электронно-лучевым приборам: объемность, а следовательно и нетехнологичность изготовления (по сравнению с плоскостными), высоковольтное питание со всеми последствиями.

Таблица 6.2

Вид информации	Полоса	Основная частота	Скорость передачи
Телефон	4 кГц	8 кГц	64 Кбит/с
Телевизионное изображение	4 МГц	8 МГц	32 Мбит/с
Высококачественное телевизионное изображение	30 МГц	60 МГц	504,3 Мбит/с

Использование сверхбыстродействующих лазеров и фотодиодов позволило довести скорость передачи информации по волоконно-оптическим линиям связи до 1 Гбит/с. Такая скорость кажется запредельной при сравнении со скоростью передачи, например, факсимильной информации по обычным телефонным линиям связи, составляющей несколько десятков килогерц.

Переходя от вопросов получения информации к проблемам ее рационального хранения и использования, необходимо отметить, что хранение информации в удобной для пользователя форме осуществляется зачастую также с применением типовых оптоэлектронных средств.

Протяженные волоконно-оптические датчики (ВОД)

Любой ВОД – это устройство, содержащее оптическое волокно и преобразующее изменение внешнего физического поля в изменение параметров оптического излучения (амплитуды, фазы, частоты, поляризации), распространяющегося по этому оптическому волокну. Конструкция оптического волокна представлена на рисунке 6.19.

Рисунок 6.19 Устройство ВОД

Оптическое волокно содержит: кварцевую оболочку, покрытую специальным лаком, и световедущую сердцевину. Основной физический принцип волоконной оптики – полное внутреннее отражение света при падении из оптически более плотной среды (световедущей сердцевины) в оптически менее плотную. Оптическую плотность характеризует показатель преломления n, который показывает отношение скорости света в вакууме к скорости света в среде с показателем n.

Если диаметр световедущей сердцевины в десятки раз превышает длину волны света в вакууме, то такое волокно называется многомодовым. В приближении геометрической оптики возможны различные пути распространения света в многомодовом волокне. Каждый реализованный вариант распространения называется модой. В зависимости от частоты световой волны и диаметра световедущей сердцевины возможное количество мод в оптическом волокне может меняться от одной до нескольких тысяч.Диаметр световедущей сердцевины одномодового волокна допускает распространение только одной моды.

Одна из основных характеристик света – когерентность, с которой связано понятие интерференции. Излучение когерентно (от лат. cohaerens – находящийся в связи), когда отдельные части световой волны "помнят", что они рождены в одной системе атомов. "Память" – это зафиксированный набор фаз отдельных атомных излучателей, который можно назвать фазовым портретом системы атомов. В зависимости от того, как быстро происходит сбой фазы атомного излучателя, определяется время этой "памяти", или время когерентности. При сложении когерентных волн в пространстве происходит перераспределение энергии, или интенсивности, – это называется интерференцией.

Конструкции этого типа могут содержать специальный преобразователь, который находится или на торце оптического волокна, или в разрыве двух оптических волокон, или в специально подготовленном определенном месте оптического волокна. Преобразователями внешних воздействий могут быть устройства различных конструкций и принципов действия, которые меняют параметры световой волны.

Рисунок 6.20 ВОД давления, вибраций

ВОД точечного типа называются, как правило, по типу измеряемого внешнего воздействия:

· волоконно-оптические акселерометры,

· датчики перемещений,

· датчики давления,

· вибрационные датчики,

· температурные датчики,

· ВОД электрического тока и напряжения,

· датчики газов и химических веществ,

· волоконно-оптические гироскопы и т.д.

Рисунок 6.21 ВОД на основе затухания волны и ВОД с использованием брэгговских решеток

Одним из новых и наиболее перспективных вариантов ВОД температуры, давления, вибрации и механических деформаций являются волоконные брэгговские решетки (ВБР). Волоконная решетка представляет собой отрезок волокна, в структуре которого сформирована решетка с измененным показателем преломления. ВБР обеспечивает узкополосное отражение, спектральное положение которого зависит от внешних воздействий.

В распределенных ВОД оптическое волокно на всем своем протяжении само является преобразователем внешних воздействий в изменение параметров распространяющегося излучения. Это означает, что могут быть созданы оптические сенсорные линии протяженностью в десятки и сотни километров. На сегодняшний день большинство волоконно-оптических распределенных датчиков основаны на явлении интерференции.

Распределенный ВОД на основе интерференции мод. Если распространяющиеся в многомодовом оптическом волокне моды лазера, работающего в режиме непрерывного излучения, являются когерентными, то на выходе света из такого волокна будет наблюдаться интерференционная картина. Даже небольшой изгиб оптического волокна, обусловленный внешним механическим воздействием, изменяет фазы распространяющихся мод – меняется интерференционная картина – происходит модуляция интенсивности света (рисунке 6.22).

Рисунок 6.22 Распределенные ВОД с межмодовой и двухлучевой интерферометрией

Распределенный ВОД на основе двухлучевой интерферометрии. В отличие от межмодовой интерферометрии, где происходит интерференция между многими модами, эти типы ВОД используют два одномодовых волокна. Режим излучения также непрерывный. Внешнее механическое воздействие по-разному изменяет фазы световых волн в этих волокнах, в результате регистрируется изменение интерференционной картины на торце волокна.

Периметровые системы обнаружения на основе этих типов ВОД имеют протяженные (до 60 км) линейные части, содержащие только пассивные волоконно-оптические кабели и элементы. Эти мониторинговые системы названы распределенными оптическими сенсорными системами многокабельными, или РОССМ. Подобные системы производятся серийно в США, России и ряде других стран.

Распределенный ВОД на основе импульсной рефлектометрии. В этом типе датчиков, в отличие от вышеописанных, используется импульсный режим излучения лазера. Световой импульс достаточно высокой мощности распространяется по волокну, излучая в результате рамановского рассеяния свет в обратном направлении. Анализ интенсивности спектральных компонентов рассеянного назад света позволяет осуществить измерения температуры с координатной привязкой к оптической кабельной линии (рисунок 6.23).

Рисунок 6.23 Принцип измерения пространственного распределения температуры с использованием ВОД.

Распределенный ВОД на основе когерентной рефлектометрии. В этом типе датчиков также используется импульсный режим излучения лазера. Световой импульс достаточно высокой мощности и высокой степени когерентности распространяется по волокну, излучая в результате релеевского рассеяния свет в обратном направлении. Интерференция рассеянного назад света позволяет не только обнаруживать факт внешнего воздействия на оптический сенсор, но и определять координату этого воздействия с точностью до нескольких метров. Распределенные волоконно-оптические системы на основе таких сенсоров могут иметь протяженные (до 50–70 км) линейные части, содержащие только один оптический кабель, являющийся сенсором воздействий и одновременно линией связи.

Электрооптические кристаллы

Наряду с эффектом поворота плоскости поляризации существует так называемый линейный электрооптический эффект отклонения светового луча в кристалле под действием электрического поля - эффект Поккельса. Суть его заключается в изменении показателя преломления среды пропорционально приложенному напряжению. Эффект Поккельса наблюдается только в пьезокристаллах. Схема, поясняющая принцип действия электрооптического модулятора, и его модуляционная характеристика представлены на рисунке 6.26.

Рисунок 6.26 Схема и модуляционная характеристика электрооптического модулятора

Пройдя через электрооптический кристалл, лазерный луч попадает на пластину анализатора, расположенную под таким углом к лучу, что он беспрепятственно проходит через пластину. При подаче же высокого напряжения на обкладки электрооптического кристалла луч отклоняется под действием изменившегося показателя преломления на больший угол и уже не проходит через пластину анализатора, а отражается от нее. Отклонение луча тем больше, чем выше напряжение на обкладках и чем длиннее путь луча (b) через кристалл. Достоинством такого модулятора является его высокое быстродействие (в принципе, частота модуляции может достигать десятков гигагерц). Однако в реальности полоса пропускания ограничивается трудностями модуляции высокого напряжения и емкостью конденсатора, создаваемого обкладками кристалла. К тому же при малых расстояниях (d) между обкладками существует опасность пробоя этого промежутка высоким напряжением, прикладываемым к модулятору.

Акустооптические кристаллы

Наряду с электрооптическими модуляторами в полиграфических оптоэлектронных устройствах применяются также акустооптические модуляторы, в основу действия которых положен акустооптический эффект, возникающий в некоторых средах. Под действием акустической волны в такой оптической среде, например, кристалле, происходят изменения показателя преломления, причем эти изменения распространяются в среде по мере прохождения в нем акустических волн, так, что внутри кристалла образуется как бы дифракционная решетка, отклоняющая направление прохождения светового потока от нормального, когда акустическая волна отсутствует. Принцип действия акустооптического модулятора иллюстрируется на рисунке 6.27. В этом устройстве применено два элемента, используемых в оптоэлектронике, - акустооптический кристалл и пьезокристалл. Переменное напряжение ультразвуковой частоты подается на пьезокристалл, механически соединенный с акустооптическим кристаллом. Согласно уравнению обратного пьезоэффекта электрические колебания вызывают в пьезокристалле механические вибрации с ультразвуковой частотой, которые физически передаются акустооптическому кристаллу. Волны ультразвуковых вибраций вызывают в акустооптическом кристалле неоднородности показателя преломления, попадая на которые луч дифрагирует (отражается) под углом Брэгга и не проходит по прямому направлению.

Низкие уровни напряжений и малая мощность, требуемая для управления акустооптическими модуляторами, делают их наиболее привлекательными для практики. Однако они уступают электрооптическим по полосе частот, которая ограничивается величиной порядка 20 МГц.

Еще менее энергозатратными средами, с помощью которых можно пропускать или запрещать прохождение светового потока, являются жидкие кристаллы.

Рис.унок 6.27 Принцип действия акустооптического дефлектора (модулятора)

Жидкие кристаллы

В жидкокристаллическом состоянии могут находиться многие природные вещества, превращаясь из жидкости в твердое тело при понижении температуры. Однако для большинства жидкостей это происходит в очень узком диапазоне температур (десятые доли градуса), поэтому свойства жидких кристаллов (ЖК) долгое время после их открытия не находили практического применения. Жидким кристаллам, молекулы которых имеют продолговатую нитевидную форму, за что они получили название нематических (от греч. nema - нить), свойственна упорядоченность в расположении (укладке) молекул. Нитевидность (несколько нанометров в длину и несколько ангстрем в ширину) обусловлена цепочечной структурой молекул. Например, на рисунке 6.28 приведена формула молекулы жидкого кристалла МВВА (метилоксибензилиден-бутиланилин) и некоторые виды укладки подобных молекул в жидком и жидкокристаллическом состояниях.

Рисунок 6.28 Ориентация молекул в жидкостях и жидких кристаллах

Со временем были получены жидкие кристаллы, сохраняющие свои свойства в достаточном для практического использования диапазоне температур. А свойства ЖК таковы, что под действием даже слабого электрического поля в тонком (несколько микрометров) слое укладка и движение молекул изменяются, что сопровождается изменением его оптических параметров и проявлением некоторых токовых или полевых эффектов (не раскрывая сущности каждого, можно для сведения просто перечислить некоторые из используемых на практике эффектов: эффект динамического рассеяния, «твист»-эффект, эффект «гость-хозяин»).

В оптоэлектронике используется свойство жидких кристаллов изменять свою оптическую плотность под действием приложенной к электродам (между которыми находится слой ЖК) разницы потенциалов. Эта особенность ЖК нашла применение в широком спектре индикаторных приборов и экранов.

Сами по себе жидкие кристаллы не светятся, но если положить ЖК на светоотражающую подложку (или осветить на просвет), то контраст оптических плотностей двух состояний ЖК (под напряжением и без него) вполне достаточен для визуального различения. Главным недостатком ЖК в этом смысле является сравнительно (например, с кинескопами или плазменными панелями) небольшой угол наблюдения - лучше всего смотреть на ЖК-изображение по нормали, а при больших углах отклонения от нее изображение исчезает.

Рисунок 6.29 Принцип действия «твист»-эффекта в жидких кристаллах

Этот недостаток становится менее ощутим при использовании свойства ЖК (например, с «твист»-эффектом) влиять на линейно поляризованный свет. Принцип действия «твист»-эффекта иллюстрируется на рисунке 6.29.

На поверхности стеклянных обкладок, обращенных к ЖК, наносится ориентант (в виде прозрачной пленки), который укладывает прилегающие к нему молекулы в заданном направлении. Если ориентация молекул ЖК у противоположных обкладок будет взаимно перпендикулярной благодаря соответствующим направлениям ориентирующих пленок, то укладка жидкого кристалл окажется «закрученной» (слово «твист» - англ. [twist] - означает поворот, скручивание) на 90°. Это происходит в силу способности молекул поддаваться даже слабым направляющим воздействиям - каждая молекула старается принять такое же направление, как и соседние.

При освещении жидкого кристалла линейно поляризованным светом, совпадающим по направлению поляризации с входным ориентантом, такая «закрутка» в укладке молекул приводит к повороту направления линейной поляризации светового потока, прошедшего через ЖК, на те же 90°. Если же приложить к электродам небольшое напряжение, то под действием электрического поля (более сильного, чем действие ориентанта) укладка молекул теряет скрученность и они выстраиваются по нормали к поверхности электродов. Новая укладка контрастно изменяет оптическую плотность электризованных участков и одновременно устраняет эффект поворота направления поляризации пропускаемого через ЖК линейно поляризованного света.

Установив перед источником света поляризатор, а после ЖК - анализатор, можно получить новый оптический затвор, только более универсальный. На поверхности ЖК можно разместить матрицу электродов и запирать или пропускать свет на требуемых участках, многократно увеличив информационные потоки через такой «затвор», или использовать его как экран дисплея (по-английски [display] - выставление напоказ, отображение).

Плазменные модули

Большие экраны строятся из отдельных функционально-законченных единиц - модулей. В состав модуля входит 6 панелей, модульно-панельный контроллер, источник питания и конструктив. На рисунке 6.33 показаны функциональная схема модуля.

Рисунок 6.33 Модуль плазменных панелей

На базе 7 типов панелей разработаны 7 типов модулей. Все модули имеют одни и те же габаритные размеры, углы наблюдения, вес, срок службы и примерно одинаковую потребляемую мощность. Общие параметры сведены в таблицу:

Модули на базе разных панелей отличаются друг от друга размером пикселя, информационной емкостью, яркостью, числом цветовых оттенков. Модульный принцип построения экранов позволяет практически неограниченно наращивать их размеры и информационную емкость по горизонтали и вертикали. В пределах области существования возможно создание экранов с любой конфигурацией, например, длиной 57,6 метров и высотой 0,38 метра (бегущая строка).

Управление экраном производится от компьютера. Для связи компьютера с экраном используется высокоскоростной цифровой интерфейс DVI. Расстояние от компьютера до экрана может составлять от 5 до 10 метров с использованием видеокабеля или до 500 метров с использованием оптического кабеля.

В зависимости от размеров экрана и характеристик помещения, большие экраны могут устанавливаться на пол, крепиться к стене, подвешиваться к потолку или встраиваться в стену. Для специальных применений экраны можно монтировать горизонтально, используя их в качестве стола, пола или потолка. Конструктивные особенности модульных экранов позволяют делать их вогнутыми, т.е. возможно создание круговых экранов, например, для спортивных арен. Экран является универсальным средством отображения и может отображать текстовую, графическую и телевизионную информацию.

Информационную емкость экранов можно практически неограниченно наращивать по горизонтали и вертикали. Шаг наращивания зависит от типа модуля и типа используемых в нем панелей. Этот шаг составляет от 192 пикселей (3-мм пиксель) до 24 пикселей (24-мм пиксель) по горизонтали и от 128 (3-мм пиксель) до 16 пикселей (24-мм пиксель) по вертикали. Информационная емкость экрана должна быть выбрана исходя из задач, которые должен решать экран. Размер экрана по вертикали ограничен, естественно, высотой потолка. Рекомендуемая высота нижнего края экрана от пола - 1 - 1,5 метра. Горизонтальный размер экрана определяется шириной помещения. Для показа ТВ-изображения формат экрана должен быть близок 4:3. Для остальных применений формат может быть практически любым.

Дистанция наблюдения экрана определяется глубиной помещения. Для каждого размера пикселя существует минимальное расстояние, при котором изображение смотрится слитно. Это расстояние лежит в пределах от 1,5 (3-мм пиксель) до 12 (24-мм пиксель) метров. Но в ряде случаев, например, для текстовой информации слитное наблюдение не обязательно и минимальная дистанция может быть существенно меньше.

Исходя из желательной информационной емкости и допустимого размера экрана, можно определить шаг пикселей. Например, если необходимо показывать ТВ-изображение в помещении площадью 12х6 кв. метров и высотой 4 метра, то можно использовать экран 768х576 6-мм пикселей. Экран будет иметь размер 4,6х3,5 метра. При этом комфортная зона наблюдения составит 8х6 кв. метров. Если размер помещения не ограничивает размеры экрана, тогда размер можно определить исходя из диапазона дистанций наблюдения и назначения экрана. Например, если экран устанавливается в большом помещении и предназначен для показа времени и даты, то, для наблюдения с дистанции до 100 метров, целесообразно использовать экран 96х32 24-мм пикселей, отображающий 12 знаков размером 38х38 см каждый. Размер такого экрана - 2,3х0,8 метра.

При установке экранов в помещении необходимо учитывать уровень внешней освещенности. Нежелательно устанавливать экран напротив окон. Чем больше внешняя освещенность, тем больший шаг пикселя желательно применять. С увеличением шага пикселя в два раза яркость возрастает в 2 - 3 раза. Для повышения контраста можно использовать капроновый фильтр. Наиболее простой вариант установки экрана - напольный вариант, на расстоянии около 0,5 метра от стены. Наиболее экономичный вариант - экран, встроенный в стену. Экраны небольшой площади можно вешать на стену или подвешивать к потолку. В общем случае выбор того или иного варианта конструкции согласуется с заказчиком и определяется особенностями конкретного применения и условиями эксплуатации.

В первом приближении стоимость экранов пропорциональна их площади, но стоимость одного кв. метра снижается с увеличением площади экрана. Так, стоимость одного квадратного метра экрана с 24-мм пикселем лежит в пределах от 8 (1 кв. м) до 5 тысяч долларов (50 кв. м). Стоимость одного квадратного метра экрана с 3-мм пикселем лежит в пределах от 12 (1 кв. м) до 8 тысяч долларов (50 кв. м). В минимальный комплект поставки экрана входит заданное количество модулей, соответствующее конфигурации экрана число секционных контроллеров, металлоконструкция экрана выбранного типа, а также комплект силовых и информационных кабелей. Дополнительно могут быть поставлены: компьютер с цифровой видеокартой, мультимедийный контроллер, оптическая линия связи, видеомагнитофоны и видеокамеры и т.д.

Большие цветные плазменные модульные экраны (далее экраны) на сегодня представляются весьма привлекательными для целей коллективного наблюдения в помещениях. Проводя сравнение плазменных экранов с конкурентами в данной нише - светодиодными экранами и видеостенами на базе проекционных видеокубов нужно отметить следующее. Плазменные экраны имеют существенно (в 4 - 8 раз) более низкую цену и более высокое качество изображения (в частности, более высокая равномерность и отсутствие зернистости изображения) по сравнению со светодиодными экранами, уступая им в яркости.

Плазменные экраны имеют существенно (в 10 - 15 раз) меньшую толщину, меньшие эксплуатационные расходы и более высокое качество изображения (существенно меньший разброс яркости и цветности по полю экрана) по сравнению с видеостенами, но уступают им в разрешающей способности.

Светодиодные экраны

Современные светодиодные технологии позволяют использовать светодиодные экраны как на улице в качестве рекламных носителей, так и в помещении, как высококлассный источник изображения, который по своим техническим параметрам превосходят плазму, LCD (ЖК) панели и видеопроекционное оборудование, по контрастности и по яркости и углу обзора. А самым уникальным свойством светодиодных экранов является возможность создания сплошных больших видеоэкранов, без стыков и “швов”.

Наиболее заметное распространение получили гигантские светодиодные видео экраны для улиц, которые используются для трансляции рекламы, концертных площадках, стадионах. Причина их широкого применения - в яркости светодиодных экранов, технологичности, многофункциональности, простоте и длительном сроке эксплуатации. Помимо динамической рекламы и отображения знакографической информации светодиодные экраны с успехом применяются для показа видеоизображения. Это позволяет активно использовать их для прямой видеотрансляции во время проведения больших праздничных мероприятиях, а также во время шоу, концертов с большим количеством зрителей.

Светодиодный экран состоит из отдельных светодиодных панелей. Светодиодные панели имеют небольшой размер, что позволяет собирать из них светодиодные дисплеи любых форм и размеров. Передача информации и управление светодиодными панелями осуществляется при помощи контроллеров, которые подсоединены к компьютеру управления. В компьютере установлена плата видеопроцессора, на вход которой могут подаваться видеосигналы от различных источников – телевизионный сигнал, сигнал от видеомагнитофона, DVD-плеера, видеокамеры, другого компьютера и т.д. Заранее подготовленные сюжеты могут быть записаны на диск компьютера управления, вывод сюжетов на видеоэкран осуществляется по составленному расписанию.

Оптоэлектронные индикаторы

Оптоэлектронные индикаторы нашли самое широкое применение уже с начала 70-х годов практически во всех областях человеческой деятельности, включая быт (часы, калькуляторы и т.п.). С внедрением в практику цифровых устройств стрелочные приборы и газоразрядные лампы были оттеснены на периферию индикаторной техники, где не исчезли, а заняли свои ниши благодаря простоте и неприхотливости. Их место (и не только их, а свое собственное, в качестве цифровых и графических) заняли светодиодные, а затем и жидкокристаллические индикаторы. Нашли свое место в этой области также плазменные и люминесцентные индикаторные панели и дисплеи.

По виду отображаемой информации индикаторы подразделяют на: единичные, цифровые, буквенно-цифровые, шкальные, мнемонические и графические. В качестве единичных сегодня, как правило, используются светодиоды зеленого, красного или желтого цвета свечения, поскольку они экономичны, долговечны и не требуют особой конструктивной привязки - припаянные к любой электронной плате двумя ножками, они уже готовы к работе. Ни один электронный прибор практически не обходится без таких индикаторов.

Большим разнообразием отличаются цифровые, буквенно-цифровые и шкальные индикаторы. Назначение их ясно выражено в названиях. Различаются они конструктивным исполнением, размерами, принципом действия (газоразрядные, люминесцентные, светодиодные, жидкокристаллические). Наиболее распространены в настоящее время светодиодные и жидкокристаллические как самые экономичные. Люминесцентные обладают более ярким свечением и применяются, например, в цеховых условиях, где наблюдение за панелью управления может вестись со значительного расстояния (в несколько метров), если оператор отходит от пульта к какой-либо зоне обслуживания машины.

Самыми типичными в этом классе являются одноразрядные (при необходимости из них набираются индикаторы любой разрядности) семисегментные цифровые индикаторы, основанные, к примеру, на светодиодной линейке, но с характерным расположением излучателей - светодиоды выполнены в виде удлиненных кирпичиков, располагаемых в прямоугольном окошке в форме восьмерки - по два вертикально слева и справа, а горизонтально - в середине, сверху и снизу фигуры, что позволяет синтезировать любую цифру от 0 до 9. Примерно также выполняются шкальные индикаторы, только элементы размещаются бок о бок в линию, которую, как метрическую линейку, можно располагать по необходимости горизонтально или вертикально. Из таких шкал удобно собирать индикационную панель для наблюдения за значениями множества однотипных параметров. Буквенно-цифровые индикаторы чаще строятся на основе матриц (например, светодиодных), а не сегментных линеек, так как начертание у букв более разнообразно, чем у цифр. Отдельные индикаторы (как правило, 5×7 элементов), собранные в линию или табло, позволяют создавать уже строки или странички текстов таблиц.

Мнемонические индикаторы выполняются как в форме отдельных символов (треугольник, квадрат, круг, прямоугольник), так и в виде табло с набором символов, знаков и схем, отображающих в условной и понятной для оператора форме отдельные технические узлы или состав машины в целом. Единичные индикаторы выполняются чаще на светодиодной основе, а табло - на люминесцентной или плазменной. В таких индикаторах один из двух электродов выполняется в форме изображаемого символа, а второй, прозрачный, перекрывает габаритную площадь фигуры или всего табло.

Графические индикаторы, как правило, используются в составных средствах отображения информации, представляя буквы, цифры, символы, графики и другие изображения без потери информации в местах стыковки. Предназначенные для работы в составе цифровых систем, они имеют обычно число элементов, согласованное с бинарной системой счисления (8×8, 16×16 и др.) и создаются на базе светодиодных, жидкокристаллических или газоразрядных матриц.

При необходимости отображения больших массивов информации в качестве индикаторов применяются экраны и дисплеи различных конструкций и принципов действия.

Контрольные вопросы к главе 6

Перечислите основные достоинства оптоволоконных измерительных преобразователей.
Что называется числовой апертурой оптоволокна?
В чем заключается отличие многомодовых световодов от одномодовых?
Перечислите основные причины ослабления передаваемого сигнала по оптоволокну.
Опишите основные принципы построения оптоволоконных измерительных преобразователей.
Объясните принцип работы оптоволоконных датчиков усилий, микроперемещений.

Среды, различающие цвет

Оптоэлектронные устройства часто работают с цветом (сканеры, денситометры, спектрофотометры и др.), и на них, как правило, возлагаются функции цветоразличения (разложения на спектральные цвета). Еще до появления оптоэлектроники для этих целей использовались (и сейчас с успехом применяются) самые разнообразные элементы традиционной оптики. Призмы и дифракционные решетки используются для разложения светового потока на составляющие цвета; зональные светофильтры и дихроичные зеркала - для цветоделения светового потока на три составляющие (красную, зеленую, синюю).

Рисунок 7.1 Принцип действия призмы и дифракционной решетки

Принцип действия призмы основан на зависимости показателя преломления среды, через которую пропускается свет, от длины волны электромагнитных колебаний, проще говоря, цвета. Эта зависимость в первом приближении описывается формулой Коши. Зависимость эта нелинейная. Показатель преломления увеличивается с уменьшением длины волны. Это приводит к эффекту разложения белого цвета, пропускаемого через призму. Призма усиливает различимость эффекта, так как лучи разных цветов, отклоняясь под разными углами, проходят к тому же разные расстояния, и на выходе из нее спектр оказывается более растянутым. Если за призмой установлена линейка фотоприемников (или белый экран), то это позволяет определять спектральный состав излучения. Примерные зависимости изменения показателя преломления от длины волны можно оценить по данным, приведенным в таблице 7.1.

Таблице 7.1.

Длина волны [нм], (цвет)	Стекло (кварц)	Исландский шпат
687 (красный)	1,541	1,653
656 (оранжевый)	1,542	1,655
589 (желтый)	1,544	1,658
527 (зеленый)	1,547	1,664
486 (голубой)	1,550	1,668
431 (сине-фиолетовый)	1,554	1,676
400 (фиолетовый)	1,558	1,683

Другой принцип заложен в явлении спектрального разложения света на дифракционной решетке. Эффект дифракции света сказывается у краев экранов, малых отверстий, узких щелей, когда расстояния светлых промежутков становятся соизмеримы с длиной световой волны. В таких условиях лучи, касающиеся края препятствия, отклоняются от прямолинейной траектории падающего света, при этом синус угла отклонения прямо пропорционален и кратен длине волны (т.е. угол отклонения тем больше, чем больше длина волны). Вокруг малого единичного отверстия в результате дифракции наблюдаются дифракционные кольца чередующихся светлых и темных участков (в формулу входит показатель кратности или порядка явления k. Вокруг одиночной щели кольца преобразуются в полосы, затухающие по мере удаления от просвета (в обе стороны). Если такие щели расположены в ряд и близко друг к другу (размеры щелей и перегородок одного порядка малости), то образуется дифракционная решетка, за которой, при размещении там белого экрана, можно увидеть спектр падающего на решетку светового луча. Дифракционные решетки делают и на отражение - тогда на зеркальную поверхность наносят тонкие риски (до нескольких тысяч рисок на миллиметр). Такие элементы разложения сложного света на составляющие цвета используются в современных спектрофотометрах, приборах калибровки мониторов, компьютерных системах управления цветом (color management systems - CMS). Другая задача различения сложной окраски - разделение на зональные составляющие для последующего синтеза цвета (на базе триады голубой, пурпурной и желтой красок + черная) - цветоделение.

Светофильтры пропускают свет только своей зоны спектра, задерживая световые потоки остальных цветовых оттенков, поэтому если взять, например, синий фильтр и посмотреть через него на отпечаток, сделанный желтой краской на белой бумаге (кстати, без фильтра желтое на белом различается с трудом), то глаз увидит черный отпечаток на фоне синего - лучи желтого цвета через синий фильтр не пройдут. Чем меньше будет желтого на отпечатке, тем менее черным покажется этот участок за синим фильтром. Этот эффект позволяет измерять оптические плотности основных красок полиграфической триады (голубой, пурпурной, желтой) на оттисках с помощью денситометров, в которых устанавливаются зональные фильтры: синий - для желтой краски, зеленый - для пурпурной, красный - для голубой (черная измеряется за визуальным фильтром, имеющим спектральную характеристику, близкую к характеристике человеческого зрения).

Дихроичные зеркала тоже не пропускают излучение одной из зон видимого спектра (поэтому их также называют дихроичными фильтрами), отражая эти лучи, как зеркало, - это придает им новое свойство в отличие от светофильтров, так как не прошедшие через зеркало лучи могут использоваться в другом измерительном канале, если они будут туда направлены. Поставив друг за другом два разных по характеристикам зеркала, можно произвести деление светового потока на лучи красной, зеленой и синей зоны: первое зеркало отразит волны красной зоны и пропустит зеленые и синие, которые разделятся на втором зеркале - синие отразятся, а зеленые будут пропущены через него.

Как уже было сказано, отличительной чертой оптоэлектроники является миниатюризация элементов, их интеграция с целью переработки больших объемов информации. Поэтому и те элементы традиционной оптики, которые были описаны выше, в приложении к оптоэлектронным приборам изготавливаются зачастую в совершенно специфическом виде, по технологиям, применяемым в производстве оптоэлектронных элементов. Например, зональные фильтры для матричного ПЗС могут представлять собой тонкую пленку, размещенную на поверхности матрицы, с нанесенными микроскопическими триадами цветов, в виде синих, зеленых и красных штришков или точек, каждая из которых предназначается для своей элементарной ПЗС-ячейки размером 5×5 мкм.

Следует упомянуть также о многослойных диэлектрических структурах, применяемых в системах оптической связи в случаях, когда из смешанного света с различными длинами волн необходимо выделить свет с одной определенной длиной волны. Такие структуры представляют собой многослойный «бутерброд» с чередованием тонких слоев диэлектриков двух типов с различными показателями преломления. Каждый слой имеет толщину, равную четверти длины волны выделяемого излучения. Падающий на структуру свет частично отражается от каждой из границ раздела двух сред. Отраженные лучи выделенной длины волны, будучи одночастотными и сдвинутыми на четверть волны, т.е. когерентными, интерферируют (складываются), усиливаясь по амплитуд). Свет других длин волн такого эффекта не имеет, так как либо проходит через структуру не отражаясь, а если и отражается, то не синфазно, а, следовательно, и не когерентно - для него интерференция безрезультатна.

Интерферометр Фабри-Перро

Интерферометр Фабри-Перро является одним из важнейших приборов класса многолучевых интерферометров. Он широко используется как в спектроскопии для разрешения тонкой структуры спектральных линий, так и в лазерной технике - для создания лазерных резонаторов и селекции продольных мод в них.

а)

б)

Рисунок 7.6 Схематическое изображение интерферометров Фабри-Перро (а) и Люммера-Герке (б)

Условия усиления излучения при однократном обходе резонатора существенно зависят от набега фазы. Поэтому усилению в таком резонаторе подлежат не все длины волн внутри полосы усиления среды, а только те из них, которые удовлетворяют условию интерференционного максимума Фабри-Перро.

Интерферометр Люммера-Герке является модификацией интерферометра Фабри-Перро и предназначен для спектроскопии высокого разрешения в среднем ультрафиолетовом диапазоне (длины волн 0,1-0,2 мкм).

Для прецизионных измерений малых перемещений в неблагоприятных условиях окружающей среды применяют оптические резонаторы Фабри – Перо, состоящие из двух полуотражающих зеркал, расположенных напротив друг друга на расстоянии L. Свет в резонатор поступает от источника с известными характеристиками. Например, от лазера. Фотоны, попадая в резонатор, начинают отражаться то от одного, то от другого зеркала. В процессе этих отражений они интерферируют друг с другом, Фактически, резонатор играет роль светового накопителя. За пределы резонатора могут выйти фотоны только определенных частот. Таким образом, можно считать, что интерферометр является частотным фильтром, частота пропускания которого определяется длиной резонатора.

Рисунок 7.7 Принцип работы датчика микроперемещений, основанного на использования интерферометра Фабри – Перо: А - многократная интерференция света внутри резонатора; Б – импульсы света на выходе резонатора

При изменении длины резонатора соответственно изменяется и частота выходящего света. Если сделать одно из зеркал подвижным, то, измеряя выходящую частоту импульсов света, можно определять очень малые изменения длины резонатора. Для используемых на практике резонаторов расстояние между зеркалами составляет порядка одного микрометра, при частоте следования импульсов света от 500 МГц до 1 ГГц.

Таким образом, по разнице частот выходного излучения и сигнала от эталонного источника света можно судить об изменении длины резонатора с точностью, сравнимой с длиной волны света. При этом объектом измерения может быть любая физическая величина, изменение которой приводит к изменению размеров резонатора. Например: механическое напряжение, сила, давление, температура и т.п.

Благодаря универсальности, такие датчики получили широкое распространение. К их достоинствам можно отнести малые размеры, низкую стоимость, высокую разрешающую способность.

Рисунок 7.8 Конструкция датчика давления с использованием интерферометра Фабри – Перо

Контрольные вопросы к главе 7

1. В чем заключается суть явлений дисперсии, дифракции и интерференции света?

2. Объясните принцип работы дифракционной решетки.

3. Опишите принцип работы интерферометра Майкельсона.

4. В чем заключается отличие интерферометров Рэлея и Фабри-Перо?

Ионизационные камеры

В ионизационной камере, заполненной газовой средой, находятся два электрода, к которым подводится напряжение. Газовая среда ионизируется под действием ядерного излучения, цепь между электродами замыкается и появляется ток. Зависимость ионизационного тока I от приложенного к электродам напряжения U при постоянном составе и плотности газовой среды выражается кривыми, изображенными на рисунке 8.2 для разной степени ионизации. На участке 1 наблюдается линейная зависимость ионизационного тока от напряжения, затем возрастание

Рисунок 8.2 Вольт-амперная характеристика тока замедляется, и на участке 2 ток ионизационной камеры достигает насыщения, являясь тем самым мерой числа возникающих под воздействием ионизации пар «ион-электрон»

При дальнейшем повышении напряжения ток снова повышается (участок 3), так как, кроме ионизации под воздействием ионизатора, появляется вторичный процесс ионизации под действием ударов быстро несущихся электронов и ионов о нейтральные молекулы.

С некоторого напряжения U3 начинается самостоятельный разряд (участок 4). В этом режиме импульс тока на выходе ионизационной камеры не зависит от величины начальной ионизации, т.е. интенсивности излучения J.

Ионизационные камеры работают в режиме насыщения (участок 2), газоразрядные счетчики – в режиме самостоятельного газового разряда (участок 4).

Токи, получаемые на выходе ионизационных камер, обычно малы. Ионизационные камеры используются для приема a- и b-излучений, но конструкции камер сильно зависят от вида излучений. При a-излучении источник помещается обычно внутри ионизационной камеры или при нахождении источника снаружи в месте его установки делается окно.

Камеры для b-излучения имеют значительно больший объем (1-2 л), чем камеры для a-излучения. Источник излучения располагается обычно снаружи камеры против тонкого окно, выполненного, например, из алюминия толщиной 5-10 мкм.

На рисунке 8.3 показана конструкция a-ионизационной камеры. Электрод, к которому присоединен усилитель (сетка электрометрической лампы), называется собирающим или сеточным. Другой электрод, на который подается постоянное напряжение U от нескольких сотен до нескольких тысяч вольт, называется высоковольтным электродом. Обычно этим электродом является корпус ионизационной камеры. Так как ионизационные токи весьма малы, то токи утечки должны быть по крайней мере на 2 – 3 порядка меньше и сопротивление изоляции сеточного электрода относительно корпуса (высоковольтного электрода) должно быть очень высоким. Поэтому сеточный электрод часто окружается через изоляцию третьим электродом, - так называемым охранным электродом (кольцом), на который подается постоянный потенциал, примерно равный потенциалу сеточного электрода. Обычно этот электрод соединяется с заземленной точкой измерительной цепи. В свою очередь он тщательно изолирован от корпуса (высоковольтного электрода).

Рисунок 8.3 Альфа-ионизационная камера

Назначение охранного электрода заключается в том, что он защищает сеточный электрод от проникновения на него токов утечки от высоковольтного электрода, принимая токи утечки на себя.

Уменьшение сопротивления изоляции между охранным и сеточным электродами не вызывает заметных токов утечек, поскольку оба эти электрода находятся практически под близкими потенциалами.

Сеточный электрод внутри камеры должен иметь диаметр, несколько больший диаметра его изоляции, чтобы экранировать изоляцию от воздействия излучения, ухудшающего ее свойства. Кроме того, сеточный электрод не должен примыкать непосредственно к поверхности изоляции, так как в этом случае уменьшается ее поверхностное сопротивление.

Камеры для g-излучений значительно отличаются от камер для a- и b-излучений. Устройство ионизационных камер для g-излучений определяется как большой проникающей способностью этих лучей, так и самим механизмом взаимодействия этих лучей с веществом. Основная роль в процессе ионизации камеры g-лучами принадлежит вторичным электронам, образующимся в стенках камеры.

Рисунок 8.4 Гамма-ионизационная камера

С увеличением толщины стенок ионизация сначала быстро возрастает (растет число электронов, образованных в стенке g-лучами), а затем медленно спадает вследствие поглощения стенками g-лучей. Максимальная ионизация соответствует толщине стенок из алюминия – 1 мм, из графита – 3 мм. В качестве примера на рис. 4 показано устройство маленькой ионизационной камеры. Для измерения ионных токов камер используются электрометрические усилители постоянного тока.

Газоразрядные счетчики

В счетной трубке ионизационный ток усиливается за счет самостоятельного газового разряда, благодаря чему чувствительность преобразователя, работающего как спусковое устройство, резко увеличивается; это дает возможность регистрировать каждую пару ионов, образованную в трубке.

Риссунок 8.5 Принципиальная схема устройства ионизационной счетной трубки

Счетная трубка выполняется в виде металлического или стеклянного цилиндра 1, покрытого изнутри слоем металла, проводящего ток, и заполненного аргоном, азотом или другими газами. Внутри цилиндра, вдоль его оси, натянута металлическая нить 2, изолированная от цилиндра; между нитью и цилиндром прикладывается напряжение. Обычно цилиндр является катодом, а нить – анодом. Трубка герметизирована в стеклянном баллоне 3.

Счетчик с самостоятельным разрядом может регистрировать отдельные акты ионизации только в том случае, если возникающий самостоятельный разряд будет гаситься до возникновения следующего акта ионизации. В зависимости от метода гашения разряда различаются медленные (несамогасящиеся) и самогасящиеся счетчики.

В медленных счетчиках (часто называемых счетчиками Гейгера-Мюллера) возникающий при ионизации разряд гасится гасящей цепью, подключенной к счетчику и уменьшающей мгновенное напряжение на электродах счетчика во время импульса.

Высокое напряжение подается на нить счетчика через высокоомное сопротивление, одновременно служащее нагрузкой в анодной цепи лампы. При отсутствии импульса в счетчике на сетку подается отрицательный потенциал, запирающий лампу. При возникновении импульса лампа открывается; напряжение на аноде счетчика и лампы падает. При уменьшении напряжения на счетчике прекращается возникший в нем разряд. После восстановления напряжения счетчик регистрирует следующий импульс.

Широкое распространение получили так называемые галогенные счетчики, заполняемые инертными газами (аргон, неон) и небольшой примесью галогенов (хлор, бром). Отличительными особенностями этих счетчиков являются большой срок службы и относительно низкое рабочее напряжение. Основной рабочей характеристикой счетчиков является их счетная характеристика (рисунок 8.6), выражающая зависимость частоты импульсов f на выходе счетчика при постоянной интенсивности облучения от газоразрядного счетчика напряжения U, приложенного к счетчику.

Рисунок 8.6 Рабочая характеристика счетчика

Участок а-б является рабочим участком и называется «плато». Чем больше плато и чем меньше его наклон, тем лучше счетчик. Галогенные счетчики имеют протяженность плато от 60 до 100 в при наклоне не более 0,125% на 1 в. Эффективность (т.е. отношение поглощенных лучей к падающим) галогенных счетчиков очень невелика и для g-излучения составляет доли процента.

В измерительных приборах применяются два режима работы счетчиков:

· режим среднего тока, при котором импульсы счетчика поступают на интегрирующую цепочку и измеряется средний ток счетчика;

· счетный режим, при котором импульсы счетчика усиливаются, формируются и поступают на счетное устройство.

Сцинтилляционные счетчики

Принцип действия счетчиков основан на возникновении в некоторых веществах (фосфорах) под действием ядерных излучений слабых световых вспышек – сцинтилляций. Свет подается на светочувствительный фотокатод и выбивает из него электроны, образующие фототок. Комбинация фосфора, фотокатода и фотоэлектронного умножителя в общем светонепроницаемом корпусе и называется сцинтилляционном счетчиком.

Для регистрации a-частиц в сцинтилляционных счетчиках в качестве фосфора часто применяется сернистый цинк, активированный серебром или медью. Излучение этого фосфора лежит в сине-зеленой части спектра. Каждая частица с энергией 10 эв дает световой выход 1 фотон, при этом практически существуют пропорциональность между световым выходом и энергией падающих на фосфор частиц. Эффективность этого фосфора к a-лучам составляет 28%. Кристаллы сернистого цинка прозрачны до толщин, характеризуемых значением .

Сернистый кадмий, активированный серебром, дает излучение с максимумом в красной области спектра, и эффективность его к a- и b-лучам достигает 20%. При регистрации g-лучей в сцинтилляционных счетчиках широко применяются кристаллы иодистого натрия, активированного таллием. Эффективность счетчика 75 – 85%. Длительность импульса около 0,25 мксек.

Ионизационные преобразователи с a-излучателями используются в приборах для измерения целого ряда величин:

· перемещения, так как ток ионизационной камеры зависит от расстояния между электродами, если это расстояние выбрано меньше, чем длина свободного пробега a-частицы;

· при низких давлениях появляется ток, обусловленный прямым попаданием на электрод частиц; измерение высоких давлений требует (для уменьшения рекомбинации ионов) очень высоких напряжений, приводящих к пробою газового промежутка;

· скорости течения газа; в этом случае часть ионов уносится и число ионов, попадающих на электрод, и, следовательно, ток ионизационной камеры зависят от скорости потока; величина тока зависит от соотношения между скоростью потока и скоростью ионов, определяемой напряжением между электродами, поэтому это напряжение должно быть высокостабильным;

· количества дымовых примесей и влажности газа, так как подвижность ионов зависит от этих величин.

Ионизационные преобразователи с b-излучателями используются в приборах для измерения толщины листового материала и для измерения толщины покрытий бесконтактным методом. Кроме того, b-излучатели могут применяться вместо a-излучателей в приборах для измерения некоторых вышеназванных величин.

В приборах для измерения толщины покрытий используется явление обратного рассеяния b-излучения. Интенсивность обратно-рассеянного потока излучения Jрас зависит от толщины рассеивателя и вначале повышается с ее увеличением, а затем, начиная с некоторого значения толщины, остается постоянной. В ряде случаев такой метод измерения толщины покрытий является единственно возможным.

Ионизационные преобразователи с g-излучателями используются в тех случаях, когда требуется большая проникающая способность, например, для измерения плотности вещества, уровня, больших толщин, для дефектоскопии деталей.

Контрольные вопросы к главе 8

1. Какие виды ионизирующего излучения Вам мизвестны?

2. Сравните проникающую способность различных видов ионизирующего излучения.

3. Какие существуют методы контроля ионизирующих излучений?

Литература

1. Электрические измерения неэлектрических величин / Под ред. П. В. Новицкого. – Л.: Ленинградское отд. Энергия, 1975.

2. Карлов Н. В., Кириченко Н. А. Колебания, волны, структуры. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2001.

3. Дубнищев Ю. Н. Колебания и волны: Учеб. пособие – 2-е изд. испр. и доп. – Новосибирск: Сиб. Унив. Изд-во, 2004.

4. Джексон Р. Г. Новейшие датчики. Москва: Техносфера, 2007. – 384 с.

5. Дж. Фрайден. Современные датчики. Справочник. Москва: Техносфера, 2005. – 592 с.

6. Ч. Пул, Ф. Оуэнс. Нанотехнологии. – Москва: Техносфера, 2010. – 336 с.

7. Николаева Е. В. Физические основы получения информации. Измерительные преобразователи. Принципы измерения физических величин. Учебное пособие / Е. В. Николаева, В. В. Макаров. – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2007. – 96 с.

8. Ткалич В. А., Макеева А. В., Оборина Е. Е. «Физические основы наноэлектроники». Учебное пособие. СПб; СПбГУ ИТМО, 2011. – 83 с.

9. Физические основы получения информации: Учебное пособие для студентов учреждений высш. проф. Образования / В. Ю. Шишмарев.–М.: Издательский центр «Академия», 2010.-448с.

10. Патрушев Е.М., Козлова Т.В., Седалищев В.Н. Методические указания к лабораторным работам по курсу «ФОПИ -2». – Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2010. - 35с.

11. Седалищев В. Н. Методические указания к курсовому проектированию по дисциплине «Физические основы получения информации». – Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2010. - 41с.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение…………………...………………………………………………. 3

В. Н. Седалищев

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОЛУЧЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ

12 3 4 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒

Последнее изменение этой страницы: 2019-03-22; Просмотров: 440; Нарушение авторского права страницы