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 волокон
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 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.
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 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 физическая величина
|
Используемое физическое явление, свойство
|
Детектируемая величина
|
Оптическое волокно
|
Параметры и особенности измерений
|
Датчики с оптическим
волокном в качестве линии передачи
|
Проходящего типа
|
Электрическое напряжение, напряженность электрического
поля
|
Эффект Поккельса
|
Составляющая поляризация
|
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 поглощения полупроводников
|
Интенсивность пропускаемого света
|
Многомодовое
|
-10...+300° С (точность ±1° С)
|
Проходящего типа
|
Температура
|
Изменение постоянной люминесценции
|
Интенсивность пропускаемого света
|
Многомодовое
|
0...70° С (точность ±0,04° С)
|
Проходящего типа
|
Температура
|
Прерывание оптического 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 отраженного света
|
Многомодовое
|
Чувствительность, характерная для конденсаторного
микрофона
|
Концентрация кислорода в крови
|
Изменение спектральной характеристики
|
Интенсивность отраженного света
|
Пучковое
|
Доступ через катетер
|
Отражательного типа
|
Интенсивность СВЧ-излучения
|
Изменение коэффициента отражения жидкого кристалла
|
Интенсивность отраженного света
|
Пучковое
|
Неразрушающий контроль
|
Антенного типа
|
Параметры высоковольтных импульсов
|
Излучение световода
|
Интенсивность пропускаемого света
|
Многомодовое
|
Длительность фронта до 10 нс
|
Антенного типа
|
Температура
|
Инфракрасное излучение
|
Интенсивность пропускаемого света
|
Инфракрасное
|
250...1200° С (точность ±1%)
|
Датчики с оптическим
волокном в качестве чувствительного элемента
|
Кольцевой интерферометр
|
Скорость вращения
|
Эффект Саньяка
|
Фаза световой волны
|
Одномодовое
|
>0,02 °/ч
|
Кольцевой интерферометр
|
Сила электрического тока
|
Эффект Фарадея
|
Фаза световой волны
|
Одномодовое
|
Волокно с сохранением 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 (полиинтерференция)
|
Одномодовое
|
—
|
Интерферометр Фабри-Перо
|
Температура
|
Тепловое сжатие и расширение
|
Фаза световой волны (полиинтерференция)
|
Высокая чувствительность
|
Интерферометр Фабри-Перо
|
Спектр излучения
|
Волновая фильтрация
|
Интенсивность пропускаемого света
|
Одномодовое
|
Высокая разрешающая способность
|
Интерферометр Майкельсона
|
Пульс, скорость потока крови
|
Эффект Доплера
|
Частота биений
|
Одномодовое, многомодовое
|
10-4...108 м/с
|
Интерферометр на основе мод с ортогональной поляризацией
|
Гидроакустическое давление
|
Фотоупругость
|
Фаза световой волны
|
С сохранением поляризации
|
Без опорного оптического волокна
|
Интерферометр на основе мод с ортогональной поляризацией
|
Напряженность магнитного поля
|
Магнитострикция
|
Фаза световой волны
|
С сохранением поляризации
|
Без опорного оптического волокна
|
Неинтерферометрическая
|
Гидроакустическое давление
|
Потери на микроизгибах волокна
|
Интенсивность пропускаемого света
|
Многомодовое
|
Чувствительность 100 мПа
|
Неинтерферометрическая
|
Сила электрического тока, напряженность магнитного
поля
|
Эффект Фарадея
|
Угол поляризации
|
Одномодовое
|
Необходимо учитывать ортогональные моды
|
Неинтерферометрическая
|
Скорость потока
|
Колебания волокна
|
Соотношение интенсивности между двумя модами
|
Одномодовое, многомодовое
|
>0,3 м/с
|
Неинтерферометрическая
|
Доза радиоактивного излучения
|
Формирование центра окрашивания
|
Интенсивность пропускаемого света
|
Многомодовое
|
0,01...1,00 Мрад
|
Последовательного и параллельного типа
|
Распределение температуры и деформации
|
Обратное рассеяние Релея
|
Интенсивность обратного рассеяния Релея
|
Многомодовое
|
Разрешающая способность 1 м
|
|
Рис. 5. Волоконно-оптический 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 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.
Окоси Т. и др. Волоконно-оптические датчики.
Оглавление
Вступление................................................................................................................................
Волоконно-оптические датчики..............................................................................................
От электрических измерений к электронным................................................................
От аналоговых измерений к цифровым..........................................................................
Цифризация и волоконно-оптические датчики.............................................................
Становление оптоэлектроники и появление
оптических волокон..................................
Лазеры и становление оптоэлектроники........................................................................
Появление оптических волокон......................................................................................
Одно- и многомодовые оптические волокна.................................................................
Характеристики оптического волокна как
структурного элемента датчика и систем связи
Классификация волоконно-оптических датчиков и
примеры их применения.............
Датчики с оптическим волокном в качестве линии
передачи.......................................
Датчики с оптическим волокном в качестве
чувствительного элемента......................
Краткая история исследований и разработок..................................................................
Заключение..........................................................................................................................
Список литературы.................................................................................................................
Оглавление..............................................................................................................................