Спектральні параметри і характеристики та характеристики чутливості і їх вимірювання

Двохточковий метод

 

А. Метод обламування

Схема вимірювань виглядає наступним чином (рис.5.11)

 

 

Рис.5.11. Схема вимірювання.

1 – джерело світла, 8 – об’єктив,

2 – конденсор, 9 – діафрагма,

3 – монохроматор, 10 – мікроо’єктив,

4 – механічний модулятор, 11 – держак з трьохкоординатним

5 – напівпрозора пластинка, юстувальним пристроєм,

6 – фотоприймач, 12 – кювета з імерсійною рідиною,

7 – реєструючий пристрій, 13 – СВ,

14 – самописець.

 

Кювета з рідиною відіграє роль фільтра оболонкових мод.

Вимірювання проводять наступним чином:

1) спочатку юстують СВ в пристрої (11) до отримання максимального сигналу на виході СВ - ;

2) без порушення умов вводу СВ обламують на віддалі 3-5 метрів від початку, підготовлюють (шліфують, полірують) торець, під’єднують до системи і проводять вимірювання сигналу (який вважається вхідним) - . Затухання визначають за формулою

; (5.42)

3) при зміні на самописці (14) спочатку записують сигнал , а потім і розраховують .

Основні джерела похибок такі:

- нестабільність джерела світла,

- нелінійність приймача випромінювання,

- нестабільність узгодження передачі випромінювання з СВ на фотоприймач.

Похибка вимірювань складає ~ 0.03 дБ. Недоліком методу є його руйнівний характер.

Б. Безобламний метод

Схема вимірювання виглядає наступним чином (рис.5.12)

Рис.5.12. Схема вимірювань.

 

1 – джерело випромінювання,

2 – роз’єднувачі-з‘єднувачі,

3 – змішувач мод (разом зі шматком СВ для врівноваження мод),

4 – фотоприймач,

5 – реєструючий пристрій,

6 - світловод.

Спочатку реєструючий блок з’єднують безпосередньо зі змішувачем мод і вимірюють сигнал , а потім підключають СВ і вимірюють сигнал . Затухання розраховують за формулою (5.42), як і в попередньому методі.

В. Метод каліброваного розсіювання

 

 

Суть методу полягає у вимірюванні випромінювання, розсіяного через оболонку в двох точках на довжині СВ. Для цього СВ спеціально руйнують на деякій віддалі від початку (знімають захисну оболонку).

Спочатку вимірюється сигнал, що витікає з СВ на відстані 6-8 м від початку з місця пошкодження. Потім вхід і вихід СВ міняють місцями і знову проводять вимірювання.

Затухання визначають аналогічно попередньому випадку.

 

 

Метод заміщення

 

Цей метод використовують для вимірювання затухання в НЧ, ВЧ і ЗВЧ діапазонах довжин хвиль.

Метод оснований на порівнянні вимірюваного затухання із затуханням зразкового каліброваного змінного послаблювача. Заміщення може бути повним, коли затухання в СВ повністю заміщується послабленням зразкового послаблювача, тобто сигнал виводиться на початковий рівень або нуль, або частковим, коли послаблювач компенсує тільки частину затухання СВ.

Є три різновиди методу:

1) заміщення на високій частоті,

2) заміщення на проміжній частоті,

3) заміщення на низькій частоті,

 

Тому в загальному випадку

і . (5.48)

 

Оскільки аналіз зворотного сигналу проводиться в часі, то (5.46) можна переписати у вигляді

 

, (5.49)

 

де – групова швидкість хвилі,

– протяжність імпульсу.

Збільшення тривалості імпульсу приводить до збільшення динамічного діапазону і точності вимірювань. Однак роздільна здатність (точність визначення місця пошкодження) при цьому падає.

Крива потужності зворотного імпульсу називається рефлектограмою, а прилади для вимірювання – оптичними рефлектометрами.

Найбільший вплив на здійснюють варіації числової апертури по довжині СВ і зміни діаметра серцевини.

 

1. Методи вимірювання поперечних геометричних параметрів оптичних волокон.

 

На даний час найбільш перспективними і ефективними методами вимірювання геометричних параметрів СВ є оптичні методи. Вони характеризуються надзвичайною різноманітністю і досить простою фізичною реалізацією.

Як відомо з теорії дифракції хвиль, точність відтворення розмірів об’єктів при їх зондуванні пропорційна величині , де – мінімальний лінійний розмір, – довжина хвилі зондую чого випромінювання.

Тому хвилі оптичного діапазону забезпечують значно вищу точність вимірювань геометричних параметрів, ніж хвилі ультразвукового і радіодіапазонів.

Процес вимірювання геометричних параметрів складається з трьох стадій:

- формування опромінюючого пучка,

- взаємодія пучка з об’єктом вимірювання,

- формування зони реєстрації інформативного сигналу.

Всі існуючі методи можна розкласти на три групи:

- опромінення вузьким пучком з реєстрацією інформативного сигналу в ближній зоні,

- опромінення широким пучком з реєстрацією інформативного сигналу в ближній зоні,

- опромінення широким пучком з реєстрацією інформативного сигналу в дальній зоні.

Водночас серед них можна виділити методи вимірювання

- поперечних геометричних параметрів,

- повздовжних геометричних параметрів.

Розглянемо декілька методів вимірювання з надзвичайно великої кількості можливих.

 

Спектральні параметри і характеристики та характеристики чутливості і їх вимірювання

 

А. Параметри чутливості ПВ і їх вимірювання

Чутливістю ПВ називають відношення зміни вимірюваної електричної величини до зміни потоку випромінювання, що падає на ПВ.

В залежності від спектрального складу випромінювання джерела розрізняють:

- інтегральну(вольтову або струмову) чутливість, ,

- монохроматична(вольтову або струмову) чутливість, ,

Інтегральна чутливість це чутливість до немонохроматичного потоку заданого спектрального складу, яка складає

для фотодіода:

, , (3.1)

, , (3.2)

для фоторезистора:

, , (3.3)

і пов’язані між собою співвідношенням:

, (3.4)

де - опір навантаження.

В якості джерела при вимірюванні використовують:

- світловимірювальну лампу розжарювання при колірній температурі (джерело типу А) для ПВ, чутливих у видимій області спектру;

- повний випромінювач (чорне тіло) з температурою порожнини , для ПВ, чутливих в ІЧ-області спектру;

Під монохроматичною чутливістю розуміють чутливість ПВ до монохроматичного випромінювання.

, , (3.5)

, , (3.6)

 

При вимірюваннях розрізняють статичну чутливість, яку визначають відношенням постійних значень величин на вході і виході ПВ, і динамічну чутливість, яку визначають відношенням малих прирощень цих величин.

На практиці частіше вимірюють інтегральну чутливість. Її визначають за співвідношенням:

, (3.7)

, (3.8)

де , .

При визначенні чутливості до модульованого потоку задають певну частоту, форму і глибину модуляції згідно з ТУ на конкретні ПВ. Якщо таких вимог немає, то застосовують електромеханічний модулятор з сінусоідальною формою модуляції (), і 100% глибиною модуляції. Величина коефіцієнта b залежить від шпаруватості модулятора.

 

Шпаруватість, j1/j2 Коефіцієнт b 0.10 0.444 0.25 0.416 0.50 0.325

 

Імпульсною чутливістю називають відношення амплітудного значення фотоструму (або напруги сигналу), яке викликане імпульсним випромінюванням, до амплітудного значення потоку випромінювання.

Ефективною шириною смуги чутливості називають ширину ділянки спектру, де був би весь ефективний потік при умові, що на цій ділянці спектральна густина випромінювання постійна і дорівнює максимальному значенню (рис.3.1)

,

, (3.9)

 

Рис.3.1

 

Б. Спектральні параметри і характеристики ПВ та їх вимірювання

Абсолютною спектральною характеристикою чутливості називають залежність монохроматичної чутливості , виміряної в абсолютних одиницях, від довжини хвилі

. (3.10)

 

Вимірювання є досить важким, тому її визначають через інші величини

 

, (3.11)

 

де - максимальне значення монохроматичної чутливості,

- відносна спектральна характеристика чутливості.

Відносною спектральною характеристикою чутливості називають величину, що визначається відношенням абсолютної спектральної характеристики чутливості до максимального значення монохроматичної чутливості.

 

, (3.12)

 

Саме відносна спектральна характеристика чутливості вимірюється порівняно легко і практично не змінюється для ПВ одного типу, в той час як , , змінюються досить відчутно.

Відносну спектральну характеристику чутливості можна виміряти двома методами:

- за допомогою неселективного приймача,

- за допомогою селективного атестованого ПВ з відомою .

 

1) Вимірювання за допомогою неселективного приймача

Для визначення відносної спектральної характеристики чутливості використовують наступну схему вимірювань (рис.3.2).

Рис.3.2

 

БЖ – блок живлення,

ДВ – джерело випромінювання (СИ - 6-100, АЧТ),

МХ – монохроматор (УМ-2, МДР),

АПВ – атестований ПВ,

РПВ – робочий ПВ,

ВП – вимірювальний прилад (вольтметр, амперметр).

Спочатку розподіл спектральної густини випромінювання по спектру знімають атестованим ПВ (можна у відносних одиницях) – , а потім робочим приймачем – . Відносну спектральну характеристику чутливості визначають так

, (3.13)

де і – покази приладів на довжині хвилі , що відповідає максимальним показам робочого ПВ.

 

2) Вимірювання за допомогою селективного ПВ.

В цьому випадку такі ж схема та методика вимірювань, інша тільки розрахункова формула

, (3.14)

де - відносна спектральна характеристика чутливості атестованого джерела.

Після побудови графіку визначають спектральні параметри:

- довжину хвилі , що відповідає максимальній чутливості приймача,

- коротко- і довгохвильову границі чутливості , (за сигналом приймача, коли ). Іноді і визначають за значенням кривої .

Криву будують до рівня 0.1 від максимального значення.

Вимірювання поводять через рівні кроки по довжині хвиль; кількість кроків не менше 20, а в області чутливості 0.95÷1.0 – не менше 5.

 

1. Шумові та порогові параметри приймачів випромінювання та їх вимірювання.