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 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
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
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
2