Реферат: Лазерные оптико-электронные приборы
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 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 |
| Отражательного типа | 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) | Одномодовое | 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 К-во Просмотров: 560
Бесплатно скачать Реферат: Лазерные оптико-электронные приборы
|