Реферат по предмету "Радиоэлектроника"


Лазерные оптико-электронные приборы

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


Не сдавайте скачаную работу преподавателю!
Данный реферат Вы можете использовать для подготовки курсовых проектов.

Поделись с друзьями, за репост + 100 мильонов к студенческой карме :

Пишем реферат самостоятельно:
! Как писать рефераты
Практические рекомендации по написанию студенческих рефератов.
! План реферата Краткий список разделов, отражающий структура и порядок работы над будующим рефератом.
! Введение реферата Вводная часть работы, в которой отражается цель и обозначается список задач.
! Заключение реферата В заключении подводятся итоги, описывается была ли достигнута поставленная цель, каковы результаты.
! Оформление рефератов Методические рекомендации по грамотному оформлению работы по ГОСТ.

Читайте также:
Виды рефератов Какими бывают рефераты по своему назначению и структуре.

Сейчас смотрят :

Реферат Роль персонала в обеспечении безопасности функционирования технологических систем
Реферат Функционирование древесно-массного и варочного цехов комбината
Реферат 1. Кодирование графической информации Пространственная дискретизация
Реферат Clinton Impeachment Essay Research Paper ABOVE THE
Реферат «Астраханский государственный технический университет»
Реферат Виды спорта с элементами ориентирования
Реферат Защита копирования DVD
Реферат Инвестиции, осуществляемые в форме капитальных вложений
Реферат Необходимая оборона 2
Реферат Контент-анализ
Реферат "Многоликость" внутреннего мира Чичикова на литературном материале поэмы Н.В. Гоголя "Мертвые души"
Реферат Збройні сили України в період національно-визвольної боротьби 1917—1920 pp.
Реферат Marijuana Essay Research Paper Has the time
Реферат Инновационные конфликты
Реферат Система регулирования рынка ценных бумаг в России и за рубежом