Волоконно-оптические датчики

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.

[pic]

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 волокон

Лазеры и становление оптоэлектроники

[pic]

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

соединения 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.

[pic]

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 |Используемое |Детектируемая |Оптическое |Параметры и |

| |физическая |физическое |величина |волокно |особенности |

| |величина |явление, свойство| | |измерений |

|Датчики с оптическим волокном в качестве линии передачи |

|Проходящего типа |Электрическое |Эффект Поккельса |Составляющая |Многомодовое |1... 1000B; |

| |напряжение, | |поляризация | |0,1...1000 В/см |

| |напряженность | | | | |

| |электрического | | | | |

| |поля | | | | |

|Проходящего типа |Сила |Эффект Фарадея |Угол поляризации |Многомодовое |Точность (1% при |

| |электрического | | | |20...85( С |

| |тока, | | | | |

| |напряженность | | | | |

| |магнитного поля | | | | |

|Проходящего типа |Температура |Изменение |Интенсивность |Многомодовое |-10...+300( С |

| | |поглощения |пропускаемого | |(точность (1( С) |

| | |полупроводников |света | | |

|Проходящего типа |Температура |Изменение |Интенсивность |Многомодовое |0...70( С |

| | |постоянной |пропускаемого | |(точность (0,04( |

| | |люминесценции |света | |С) |

|Проходящего типа |Температура |Прерывание |Интенсивность |Многомодовое |Режим "вкл/выкл" |

| | |оптического пути |пропускаемого | | |

| | | |света | | |

|Проходящего типа |Гидроакустическое|Полное отражение |Интенсивность |Многомодовое |Чувствительность |

| |давление | |пропускаемого | |... 10 мПа |

| | | |света | | |

|Проходящего типа |Ускорение |Фотоупругость |Интенсивность |Многомодовое |Чувствительность |

| | | |пропускаемого | |около 1 мg |

| | | |света | | |

|Проходящего типа |Концентрация газа|Поглощение |Интенсивность |Многомодовое |Дистанционное |

| | | |пропускаемого | |наблюдение на |

| | | |света | |расстоянии до 20 |

| | | | | |км |

|Отражательного |Звуковое давление|Многокомпонентная|Интенсивность |Многомодовое |Чувствительность,|

|типа |в атмосфере |интерференция |отраженного света| |характерная для |

| | | | | |конденсаторного |

| | | | | |микрофона |

|Отражательного |Концентрация |Изменение |Интенсивность |Пучковое |Доступ через |

|типа |кислорода в крови|спектральной |отраженного света| |катетер |

| | |характеристики | | | |

|Отражательного |Интенсивность |Изменение |Интенсивность |Пучковое |Неразрушающий |

|типа |СВЧ-излучения |коэффициента |отраженного света| |контроль |

| | |отражения жидкого| | | |

| | |кристалла | | | |

|Антенного типа |Параметры |Излучение |Интенсивность |Многомодовое |Длительность |

| |высоковольтных |световода |пропускаемого | |фронта до 10 нс |

| |импульсов | |света | | |

|Антенного типа |Температура |Инфракрасное |Интенсивность |Инфракрасное |250...1200( С |

| | |излучение |пропускаемого | |(точность (1%) |

| | | |света | | |

|Датчики с оптическим волокном в качестве чувствительного элемента |

|Кольцевой |Скорость вращения|Эффект Саньяка |Фаза световой |Одномодовое |>0,02 (/ч |

|интерферометр | | |волны | | |

|Кольцевой |Сила |Эффект Фарадея |Фаза световой |Одномодовое |Волокно с |

|интерферометр |электрического | |волны | |сохранением |

| |тока | | | |поляризации |

|Интерферометр |Гидроакустическое|Фотоупругость |Фаза световой |Одномодовое |1...100 рад(атм/м|

|Маха-Цендера |давление | |волны | | |

|Интерферометр |Сила |Магнитострикция |Фаза световой |Одномодовое |Чувствительность |

|Маха-Цендера |электрического | |волны | |10-9 А/м |

| |тока, | | | | |

| |напряженность | | | | |

| |магнитного поля | | | | |

|Интерферометр |Сила |Эффект Джоуля |Фаза световой |Одномодовое |Чувствительность |

|Маха-Цендера |электрического | |волны | |10 мкА |

| |тока | | | | |

|Интерферометр |Ускорение |Механическое |Фаза световой |Одномодовое |1000 рад/g |

|Маха-Цендера | |сжатие и |волны | | |

| | |растяжение | | | |

|Интерферометр |Гидроакустическое|Фотоупругость |Фаза световой |Одномодовое |— |

|Фабри-Перо |давление | |волны | | |

| | | |(полиинтерференци| | |

| | | |я) | | |

|Интерферометр |Температура |Тепловое сжатие и|Фаза световой |Одномодовое |Высокая |

|Фабри-Перо | |расширение |волны | |чувствительность |

| | | |(полиинтерференци| | |

| | | |я) | | |

|Интерферометр |Спектр излучения |Волновая |Интенсивность |Одномодовое |Высокая |

|Фабри-Перо | |фильтрация |пропускаемого | |разрешающая |

| | | |света | |способность |

|Интерферометр |Пульс, скорость |Эффект Доплера |Частота биений |Одномодовое, |10-4...108 м/с |

|Майкельсона |потока крови | | |многомодовое | |

|Интерферометр на |Гидроакустическое|Фотоупругость |Фаза световой |С сохранением |Без опорного |

|основе мод с |давление | |волны |поляризации |оптического |

|ортогональной | | | | |волокна |

|поляризацией | | | | | |

|Интерферометр на |Напряженность |Магнитострикция |Фаза световой |С сохранением |Без опорного |

|основе мод с |магнитного поля | |волны |поляризации |оптического |

|ортогональной | | | | |волокна |

|поляризацией | | | | | |

|Неинтерферометрич|Гидроакустическое|Потери на |Интенсивность |Многомодовое |Чувствительность |

|еская |давление |микроизгибах |пропускаемого | |100 мПа |

| | |волокна |света | | |

|Неинтерферометрич|Сила |Эффект Фарадея |Угол поляризации |Одномодовое |Необходимо |

|еская |электрического | | | |учитывать |

| |тока, | | | |ортогональные |

| |напряженность | | | |моды |

| |магнитного поля | | | | |

|Неинтерферометрич|Скорость потока |Колебания волокна|Соотношение |Одномодовое, |>0,3 м/с |

|еская | | |интенсивности |многомодовое | |

| | | |между двумя | | |

| | | |модами | | |

|Неинтерферометрич|Доза |Формирование |Интенсивность |Многомодовое |0,01...1,00 Мрад |

|еская |радиоактивного |центра |пропускаемого | | |

| |излучения |окрашивания |света | | |

|Последовательного|Распределение |Обратное |Интенсивность |Многомодовое |Разрешающая |

|и параллельного |температуры и |рассеяние Релея |обратного | |способность 1 м |

|типа |деформации | |рассеяния Релея | | |

|[pic] |Рис. 5. | |[pic] |Рис. 7. |

| |Волоконно-опти| | |Волоконно-оптиче|

| |ческий датчик | | |ский датчик |

| |проходящего | | |антенного типа. |

| |типа. | | | |

|[pic] |Рис. 6. |

| |Волоконно-оптиче|

| |ский 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

|[pic] |Рис.4. Классификация|

| |основных структур |

| |волоконно-оптических|

| |датчиков: |

| |а) с изменением |

| |характеристик |

| |волокна (в том числе|

| |специальных волокон)|

| | |

| |б) с изменением |

| |параметров |

| |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