|
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
Страницы: 1, 2
| 
