|
Волоконно-оптические датчики.
Московский ордена Ленина, ордена Октябрьской Революции
и ордена Трудового Красного Знамени
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
имени Н.Э.Баумана.
______________________________________________________
Факультет РЛ
Кафедра РЛ2
Реферат по дисциплине
"Лазерные оптико-электронные
приборы"
студента
Майорова Павла
Леонидовича, группа РЛ3-101.
Руководитель
Немтинов Владимир Борисович
Тема реферата:
"Оптическая обработка информации"
Вступление
Сенсоризация производственной деятельности, т. е. замена органов чувств
человека на датчики, должна рассматриваться в качестве третьей промышленной
революции вслед за первыми двумя — машинно-энергетической и информационно-
компьютерной. Потребность в датчиках стремительно растет в связи с бурным
развитием автоматизированных систем контроля и управления, внедрением новых
технологических процессов, переходом к гибким автоматизированным производствам.
Помимо высоких метрологических характеристик датчики должны обладать высокой
надежностью, долговечностью, стабильностью, малыми габаритами, массой и
энергопотреблением, совместимостью с микроэлектронными устройствами обработки
информации при низкой трудоемкости изготовления и небольшой стоимости. Этим
требованиям в максимальной степени удовлетворяют волоконно-оптические датчики.
Волоконно-оптические датчики
Первые попытки создания датчиков на основе оптических волокон можно
отнести к середине 1970-х годов. Публикации о более или менее приемлемых
разработках и экспериментальных образцах подобных датчиков появились во второй
половине 1970-х годов. Однако считается, что этот тип датчиков сформировался как
одно из направлений техники только в начале 1980-х годов. Тогда же появился и
термин "волоконно-оптические датчики" (optical fiber sensors). Таким образом,
волоконно-оптические датчики — очень молодая область техники.
От электрических измерений к электронным
Конец X IX века можно считать периодом становления метрологии в ее общем
виде. К тому времени произошла определенная систематизация в области
электротехники на основе теории электромагнетизма и цепей переменного тока. До
этого физические величины измерялись главным образом механическими средствами, а
сами механические измерения распространены были незначительно. Электрические же
измерения ограничивались едва ли не исключительно только электростатическими.
Можно сказать, что метрология, развиваясь по мере прогресса электротехники, с конца
XIX века стала как бы ее родной сестрой.
Рассмотрим этапы и успехи этого развития. В течение нескольких десятков лет,
вплоть до второй мировой войны, получили распространение электроизмерительные
приборы, принцип работы которых основан на силах взаимодействия электрического
тока и магнитного поля (закон Био — Совара). Тогда же эти приборы внедрялись в
быстро развивающуюся промышленность. Особенность периода в том, что наука и
техника, причастные к электроизмерительным приборам, становятся ядром метрологии
и измерительной индустрии.
После второй мировой войны значительные успехи в развитии электроники
привели к громадным переменам в метрологии. В пятидесятых годах появились
осциллографы, содержащие от нескольких десятков до сотни и более электронных
ламп и обладающие весьма высокими функциональными возможностями, а также
целый ряд подобных устройств, которые стали широко применяться в сфере
производства и научных исследований. Так наступила эра электронных измерений.
Сегодня, по прошествии 30 лет, значительно изменилась элементная база
измерительных приборов. От электронных ламп перешли к транзисторам,
интегральным схемам (ИС), большим ИС (БИС). Таким образом, и сегодня электроника
является основой измерительной техники.
От аналоговых измерений к цифровым
Однако между электронными измерениями, которые производились в 1950-e
годы, и электронными измерениями 1980-х годов большая разница. Суть ее
заключается в том, что во многие измерительные приборы введена цифровая техника.
Обычно электронный измерительный прибор имеет структуру, подобную
изображенной на рис. 1. Здесь датчик в случае измерения электрической величины
(электрический ток или напряжение) особой роли не играет, и довольно часто
выходным устройством такого измерителя является индикатор. Однако при
использовании подобного прибора в какой-либо измерительной системе сплошь и
рядом приходится сталкиваться с необходимостью обработки сигнала различными
электронными схемами. Внедрение цифровой измерительной техники подразумевает в
идеале, что цифровой сигнал поступает непосредственно от чувствительного элемента
датчика. Но пока это скорее редкость, чем правило. Чаще же всего этот сигнал имеет
аналоговую форму, и для него на входе блока обработки данных установлен аналого-
цифровой преобразователь (АЦП). Цифровая же техника используется главным
образом в блоке обработки данных и в выходном устройстве (индикаторе) или в одном
из них.
Рис. 1. Типовая структура электронного измерителя
Основное преимущество использования цифровой техники в процессе
обработки данных — это сравнительно простая реализация операций высокого уровня,
которые трудно осуществимы с помощью аналоговых устройств. К таким операциям
относятся подавление шумов, усреднение, нелинейная обработка, интегральные
преобразования и др. При этом функциональная нагрузка на чувствительный элемент
датчика уменьшается и снижаются требования к характеристикам элемента. Кроме
того, благодаря цифровой обработке становится возможным измерение весьма малых
величин.
Цифризация и волоконно-оптические датчики
Важно отметить, что одним из этапов развития волоконно-оптических датчиков
было функциональное расширение операций, выполняемых в блоке обработки данных
датчика, путем их цифризации и, что особенно существенно, упрощение операций
нелинейного типа. Ведь в волоконно-оптических датчиках линейность выходного
сигнала относительно измеряемой физической величины довольно часто
неудовлетворительна. Благодаря же цифризации обработки эта проблема теперь
частично или полностью решается.
Нечего и говорить, что важный стимул появления волоконно-оптических
датчиков — создание самих оптических волокон, о которых будет рассказано ниже, а
также взрывообразное развитие оптической электроники и волоконно-оптической
техники связи.
Становление оптоэлектроники и появление оптических воло-
кон
Лазеры и становление оптоэлектроники
Рис. 2. Снижение минимальных потерь передачи для различных типов оптических
волокон
Оптоэлектроника — это новая область науки и техники, которая появилась на
стыке оптики и электроники. Следует заметить, что в развитии радиотехники с самого
начала ХХ века постоянно прослеживалась тенденция освоения электромагнитных
волн все более высокой частоты. Вытекающее из этого факта предположение, что
однажды радиотехника и электроника достигнут оптического диапазона волн,
становится все более и более достоверным, начиная с 1950-х годов. Годом
возникновения оптоэлектроники можно считать 1955-й, когда Е. Лоебнер (Loеbner Е. Е.
Optoelectronic devices and networks//Proc. 1ЕЕЕ. 1955. V. 43. N 12. Р. 1897 — 1906)
описал потенциальные параметры различных оптоэлектронных устройств связи, нынче
называемых оптронами, т. е. когда были обсуждены основные характеристики соеди-
нения оптического и электронного устройств.
С тех пор оптоэлектроника непрерывно развивается, и полагают, что до конца
ХХ века она превратится в огромную отрасль науки и техники, соизмеримую с
электроникой. Появление в начале 1960-х годов лазеров способствовало ускорению
развития оптоэлектроники. Потенциальные характеристики лазеров описаны еще в
1958 г., а уже в 1960 г. был создан самый первый лазер — газовый, на основе смеси
гелия и неона. Генерирующие непрерывное излучение при комнатной температуре
полупроводниковые лазеры, которые в настоящее время получили наиболее широкое
применение, стали выпускаться с 1970 г.
Появление оптических волокон
Важным моментом в развитии оптоэлектроники является создание оптических
волокон. Особенно интенсивными исследования стали в конце 1960-x годов, а
разработка в 1970 г. американской фирмой "Корнинг" кварцевого волокна с малым
затуханием (20 дБ/км) явилась эпохальным событием и послужила стимулом для
увеличения темпов исследований и разработок на все 1970-е годы.
На рис. 2 показано снижение минимальных потерь передачи для различных
оптических волокон на протяжении минувших десяти с лишним лет. Можно заметить,
что для кварцевых оптических волокон потери за 10 лет (в 1970-е годы) уменьшились
примерно на два порядка.
Изначальной и главной целью разработки оптических волокон было
обеспечение ими оптических систем связи. Тем не менее в 1970-е годы, когда в технике
оптических волокон применительно к оптическим системам связи были достигнуты
уже значительные успехи, влияние волокон на развитие волоконно-оптических
датчиков, о которых пойдет речь в этой книге, оказалось несколько неожиданным.
Одно- и многомодовые оптические волокна.
Рис. 3. Одномодовое (а) и многомодовое (б) оптическое волокно
Оптическое волокно обычно бывает одного из двух типов: одномодовое, в котором
распространяется только одна мода (тип распределения передаваемого
электромагнитного поля), и многомодовое — с передачей множества (около сотни)
мод. Конструктивно эти типы волокон различаются только диаметром сердечника —
световедущей части, внутри которой коэффициент преломления чуть выше, чем в
периферийной части — оболочке (рис. 3).
В технике используются как многомодовые, так и одномодовые оптические
волокна. Многомодовые волокна имеют большой (примерно 50 мкм) диаметр
сердечника, что облегчает их соединение друг с другом. Но поскольку групповая
скорость света для каждой моды различна, то при передаче узкого светового импульса
происходит его расширение (увеличение дисперсии). По сравнению с многомодовыми
у одномодовых волокон преимущества и недостатки меняются местами: дисперсия
уменьшается, но малый (5...10 мкм) диаметр сердечника значительно затрудняет
соединение волокон этого типа и введение в них светового луча лазера.
Вследствие этого одномодовые оптические волокна нашли преимущественное
применение в линиях связи, требующих высокой скорости передачи информации
(линии верхнего ранга в иерархической структуре линий связи), а многомодовые чаще
всего используются в линиях связи со сравнительно невысокой скоростью передачи
информации. Имеются так называемые когерентные волоконно-оптические линии
связи, где пригодны только одномодовые волокна. В многомодовом оптическом
волокне когерентность принимаемых световых волн падает, поэтому его использование
в когерентных линиях связи непрактично, что и предопределило применение в
подобных линиях только одномодовых оптических волокон.
Напротив, хотя при использовании оптических волокон для датчиков
вышеуказанные факторы тоже имеют место, но во многих случаях их роль уже иная. В
частности, при использовании оптических волокон для когерентных измерений, когда
из этих волокон формируется интерферометр, важным преимуществом одномодовых
волокон является возможность передачи информации о фазе оптической волны, что
неосуществимо с помощью многомодовых волокон. Следовательно, в данном случае
необходимо только одномодовое оптическое волокно, как и в когерентных линиях
связи. Тем не менее, на практике применение одномодового оптического волокна при
измерении нетипично из-за небольшой его дисперсии. Короче говоря, в сенсорной
оптоэлектронике, за исключением датчиков-интерферометров, используются
многомодовые оптические волокна. Это обстоятельство объясняется еще и тем, что в
датчиках длина используемых оптических волокон значительно меньше, чем в
системах оптической связи.
Характеристики оптического волокна как структурного элемента
датчика и систем связи
Прежде чем оценивать значимость этих характеристик для обеих областей
применения, отметим общие достоинства оптических волокон:
? широкополосность (предполагается до нескольких десятков терагерц);
? малые потери (минимальные 0,154 дБ/км);
? малый (около 125 мкм) диаметр;
? малая (приблизительно 30 г/км) масса;
? эластичность (минимальный радиус изгиба 2 MM);
? механическая прочность (выдерживает нагрузку на разрыв примерно 7 кг);
? отсутствие взаимной интерференции (перекрестных помех типа известных в
телефонии "переходных разговоров");
? безындукционность (практически отсутствует влияние электромагнитной
индукции, а следовательно, и отрицательные явления, связанные с грозовыми
разрядами, близостью к линии электропередачи, импульсами тока в силовой
сети);
? взрывобезопасность (гарантируется абсолютной неспособностью волокна
быть причиной искры);
? высокая электроизоляционная прочность (например, волокно длиной 20 см
выдерживает напряжение до 10000 B);
? высокая коррозионная стойкость, особенно к химическим растворителям,
маслам, воде.
В области оптической связи наиболее важны такие достоинства волокна, как
широкополосность и малые потери, причем в строительстве внутригородских сетей
связи наряду с этими свойствами особое значение приобретают малый диаметр и
отсутствие взаимной интерференции, а в электрически неблагоприятной окружающей
среде — безындукционность. Последние же три свойства в большинстве случаев здесь
не играют какой-либо заметной роли.
В практике использования волоконно-оптических датчиков имеют наибольшее
значение последние четыре свойства. Достаточно полезны и такие свойства, как
эластичность, малые диаметр и масса. Широкополосность же и малые потери
значительно повышают возможности оптических волокон, но далеко не всегда эти
преимущества осознаются разработчиками датчиков. Однако, с современной точки
зрения, по мере расширения функциональных возможностей волоконно-оптических
датчиков в ближайшем будущем эта ситуация понемногу исправится.
Как будет показано ниже, в волоконно-оптических датчиках оптическое волокно
может быть применено просто в качестве линии передачи, а может играть роль самого
чувствительного элемента датчика. В последнем случае используются
чувствительность волокна к электрическому полю (эффект Керра), магнитному полю
(эффект Фарадея), к вибрации, температуре, давлению, деформациям (например, к
изгибу). Многие из этих эффектов в оптических системах связи оцениваются как
недостатки, в датчиках же их появление считается скорее преимуществом, которое
следует развивать.
Следует также отметить, что оптические волокна существенно улучшают
характеристики устройств, основанных на эффекте Саньяка.
Классификация волоконно-оптических датчиков и примеры
их применения
Современные волоконно-оптические датчики позволяют измерять почти все.
Например, давление, температуру, расстояние, положение в пространстве, скорость
вращения, скорость линейного перемещения, ускорение, колебания, массу, звуковые
волны, уровень жидкости, деформацию, коэффициент преломления, электрическое
поле, электрический ток, магнитное поле, концентрацию газа, дозу радиационного
излучения и т.д.
Если классифицировать волоконно-оптические датчики с точки зрения применения в
них оптического волокна, то, как уже было отмечено выше, их можно грубо разделить
на датчики, в которых оптическое волокно используется в качестве линии передачи, и
датчики, в которых оно используется в качестве чувствительного элемента. Как видно
из таблицы 1, в датчиках типа "линии передачи" используются в основном
многомодовые оптические волокна, а в датчиках сенсорного типа чаще всего —
одномодовые.
Таблица 1. Характеристики волоконно-оптических датчиков
Структура
Измеряемая физи-
ческая величина
Используемое фи-
зическое явление,
свойство
Детектируемая ве-
личина
Оптическое волокно
Параметры и осо-
бенности измерений
Датчики с оптическим волокном в качестве линии передачи
Проходящего типа
Электрическое на-
пряжение, напря-
женность электри-
ческого поля
Эффект Поккельса
Составляющая по-
ляризация
Многомодовое
1... 1000B; 0,1...1000
В/см
Проходящего типа
Сила электрического
тока, напряженность
магнитного поля
Эффект Фарадея
Угол поляризации
Многомодовое
Точность ?1% при
20...85? С
Проходящего типа
Температура
Изменение погло-
щения
полупроводников
Интенсивность
пропускаемого света
Многомодовое
-10...+300? С
(точность ?1? С)
Проходящего типа
Температура
Изменение посто-
янной люминес-
ценции
Интенсивность
пропускаемого света
Многомодовое
0...70? С (точность
?0,04? С)
Проходящего типа
Температура
Прерывание опти-
ческого пути
Интенсивность
пропускаемого света
Многомодовое
Режим "вкл/выкл"
Проходящего типа
Гидроакустическое
давление
Полное отражение
Интенсивность
пропускаемого света
Многомодовое
Чувствительность ...
10 мПа
Проходящего типа
Ускорение
Фотоупругость
Интенсивность
пропускаемого света
Многомодовое
Чувствительность
около 1 мg
Проходящего типа
Концентрация газа
Поглощение
Интенсивность
пропускаемого света
Многомодовое
Дистанционное
наблюдение на
расстоянии до 20 км
Отражательного типа
Звуковое давление в
атмосфере
Многокомпонентная
интерференция
Интенсивность от-
раженного света
Многомодовое
Чувствительность,
характерная для
конденсаторного
микрофона
Отражательного типа
Концентрация ки-
слорода в крови
Изменение спек-
тральной характе-
ристики
Интенсивность от-
раженного света
Пучковое
Доступ через катетер
Отражательного типа
Интенсивность СВЧ-
излучения
Изменение коэф-
фициента отражения
жидкого кристалла
Интенсивность от-
раженного света
Пучковое
Неразрушающий
контроль
Антенного типа
Параметры высо-
ковольтных им-
пульсов
Излучение световода
Интенсивность
пропускаемого света
Многомодовое
Длительность
фронта до 10 нс
Антенного типа
Температура
Инфракрасное из-
лучение
Интенсивность
пропускаемого света
Инфракрасное
250...1200? С
(точность ?1%)
Датчики с оптическим волокном в качестве чувствительного элемента
Кольцевой интер-
ферометр
Скорость вращения
Эффект Саньяка
Фаза световой волны
Одномодовое
>0,02 ?/ч
Кольцевой интер-
ферометр
Сила электрического
тока
Эффект Фарадея
Фаза световой волны
Одномодовое
Волокно с сохра-
нением поляризации
Интерферометр
Маха-Цендера
Гидроакустическое
давление
Фотоупругость
Фаза световой волны
Одномодовое
1...100 рад?атм/м
Интерферометр
Маха-Цендера
Сила электрического
тока, напряженность
магнитного поля
Магнитострикция
Фаза световой волны
Одномодовое
Чувствительность 10-
9 А/м
Интерферометр
Маха-Цендера
Сила электрического
тока
Эффект Джоуля
Фаза световой волны
Одномодовое
Чувствительность 10
мкА
Интерферометр
Маха-Цендера
Ускорение
Механическое
сжатие и растяжение
Фаза световой волны
Одномодовое
1000 рад/g
Интерферометр
Фабри-Перо
Гидроакустическое
давление
Фотоупругость
Фаза световой волны
(полиинтер-
ференция)
Одномодовое
—
Интерферометр
Фабри-Перо
Температура
Тепловое сжатие и
расширение
Фаза световой волны
(полиинтер-
ференция)
Одномодовое
Высокая чувстви-
тельность
Интерферометр
Фабри-Перо
Спектр излучения
Волновая фильтра-
ция
Интенсивность
пропускаемого света
Одномодовое
Высокая разре-
шающая способность
Интерферометр
Майкельсона
Пульс, скорость
потока крови
Эффект Доплера
Частота биений
Одномодовое,
многомодовое
10-4...108 м/с
Интерферометр на
основе мод с орто-
гональной поляри-
зацией
Гидроакустическое
давление
Фотоупругость
Фаза световой волны
С сохранением
поляризации
Без опорного оп-
тического волокна
Интерферометр на
основе мод с орто-
гональной поляри-
зацией
Напряженность
магнитного поля
Магнитострикция
Фаза световой волны
С сохранением
поляризации
Без опорного оп-
тического волокна
Неинтерферометриче
ская
Гидроакустическое
давление
Потери на микро-
изгибах волокна
Интенсивность
пропускаемого света
Многомодовое
Чувствительность
100 мПа
Неинтерферометриче
ская
Сила электрического
тока, напряженность
магнитного поля
Эффект Фарадея
Угол поляризации
Одномодовое
Необходимо учи-
тывать ортогональ-
ные моды
Неинтерферометриче
ская
Скорость потока
Колебания волокна
Соотношение ин-
тенсивности между
двумя модами
Одномодовое,
многомодовое
>0,3 м/с
Неинтерферометриче
ская
Доза радиоактивного
излучения
Формирование
центра окрашивания
Интенсивность
пропускаемого света
Многомодовое
0,01...1,00 Мрад
Последовательного и
параллельного типа
Распределение
температуры и де-
формации
Обратное рассеяние
Релея
Интенсивность об-
ратного рассеяния
Релея
Многомодовое
Разрешающая спо-
собность 1 м
Рис. 5. Воло-
конно-опти-
ческий датчик
проходящего
типа.
Рис. 7. Волоконно-
оптический датчик
антенного типа.
Рис. 6. Волоконно-
оптический датчик
отражательного
типа.
Краткая история исследований и разработок
В истории волоконно-оптических датчиков трудно зафиксировать какой-либо
начальный момент, в отличие от истории волоконно-оптических линий связи. Первые
публикации о проектах и экспериментах с измерительной техникой, в которой
использовалось бы оптическое волокно, начали появляться с 1973 г., а во второй
половине 1970-х годов их число значительно увеличилось. В 1978 году Нэмото Тосио
предложил общую классификацию волоконно-оптических датчиков (рис. 4.), которая
мало отличается от современной. С наступлением 1980-х годов история развития
волоконно-оптических датчиков обрастает значительными подробностями.
Заключение
Рис.4. Классификация
основных структур
волоконно-оптических
датчиков:
а) с изменением ха-
рактеристик волокна (в
том числе специальных
волокон)
б) с изменением па-
раметров передаваемого
света
в) с чувствительным
элементом на торце
волокна
Основными элементами волоконно-оптического датчика, как можно заметить из
табл. 1, являются оптическое волокно, светоизлучающие (источник света) и
светоприемные устройства, оптический чувствительный элемент. Кроме того,
специальные линии необходимы для связи между этими элементами или для
формирования измерительной системы с датчиком. Далее, для практического
внедрения волоконно-оптических датчиков необходимы элементы системной техники,
которые в совокупности с вышеуказанными элементами и линией связи образуют
измерительную систему.
Список литературы
Окоси Т. и др. Волоконно-оптические датчики.
Оглавление
Вступление 2
Волоконно-оптические датчики 2
От электрических измерений к электронным 2
От аналоговых измерений к цифровым 3
Цифризация и волоконно-оптические датчики 4
Становление оптоэлектроники и появление оптических волокон 4
Лазеры и становление оптоэлектроники 4
Появление оптических волокон 6
Одно- и многомодовые оптические волокна. 6
Характеристики оптического волокна как структурного элемента датчика и систем
связи 7
Классификация волоконно-оптических датчиков и примеры их применения 9
Датчики с оптическим волокном в качестве линии передачи 10
Датчики с оптическим волокном в качестве чувствительного элемента 12
Краткая история исследований и разработок 15
Заключение 15
Список литературы 16
Оглавление 16
16
| |
