Датчики на основе сдвига частоты света

С помощью датчиков на основе сдвига частоты света определяется изменение частоты света, обусловленное объектом измерения. Измерение производится высокоточными методами светового гетеродинирования (интерферируют две световые волны разной частоты, а сигнал разностной частоты детектируется) и спектрального анализа. Типичным образцом датчика на основе сдвига частоты света может служить лазерный доплеровский волоконно-оптический измеритель скорости.

При освещении движущегося тела лучом лазера рассеиваемый телом свет приобретает сдвиг по частоте (эффект Доплера). Частотный сдвиг выражается следующей формулой:

,

где k₀ и k_s - волновые векторы падающего и рассеянного света; v - вектор скорости движущегося тела.

Датчик, в котором используется эффект Доплера, называется лазерным доплеровским волоконно-оптическим измерителем скорости. В зависимости от структуры оптической системы такие датчики можно разделить на два вида: с опорным светом и дифференциальные (рис. 22.8).

В лазерном доплеровском измерителе скорости с опорным светом лазерный луч освещает измеряемый объект через волоконно-оптический зонд. Этим же зондом принимается свет обратного рассеяния. Частотный сдвиг света в результате эффекта Доплера:

, (22.2)

где λ - длина волны лазера; θ - угол между лазерным лучом и вектором скорости объекта. Измеряемый сигнал, имеющий частоту Доплера, получается путем гетеродинного обнаружения световым детектором лучей рассеяния и опорного света, пришедшего в детектор врезультате френелевского отражения от торца зонда.

В лазерном доплеровском измерителе скорости дифференциального типа измеряемый объект освещается посредством волоконно-оптических зондов 1 и 2, а рассеянный свет принимается волоконно-оптическим зондом 3.В детекторе путем гетеродинирования этих световых лучей получается доплеровский сигнал измерителя. Частота биений, возникающая в результате гетеродинного обнаружения,

(22.3)

где δ - угол между двумя лазерными лучами. После измерения f_b можно по формуле (22.3) определить скорость v.

Как видно из формул (22.2) и (22.3), сдвиг частоты зависит от угла освещения измеряемого объекта лучом лазера, а следовательно, требуется точная настройка оптической системы. Необходимо также учитывать, что в данных измерителях скорости используется явление рассеяния лазерного светового луча измеряемым объектом, поэтому чувствительность обнаружения твердого тела зависит от его цвета, степени обработки и чистоты поверхности, температуры и других факторов, а сыпучего тела - от размеров зерен, их формы, цвета и т. д.

Измеритель скорости твердых тел

Лекция 23

ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ (часть 2)