Реферат: Волоконно-оптические датчики

Московский ордена Ленина,ордена Октябрьской Революции

и ордена Трудового КрасногоЗнамени

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙУНИВЕРСИТЕТ

имени Н.Э.Баумана.

______________________________________________________

Факультет РЛ

Кафедра РЛ2

Реферат по дисциплине
«Лазерные оптико-электронные приборы»

студента

 МайороваПавла
Леонидовича, группа РЛ3-101.

Руководитель

НемтиновВладимир Борисович

<span Times New Roman";mso-bidi-font-family: «Times New Roman»;mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language:RU;mso-bidi-language: AR-SA">

Темареферата:
«Оптическая обработка информации»

Вступление

Сенсоризация производственной деятельности, т. е. замена органовчувств человека на датчики, должна рассматриваться в качестве третьей промышленнойреволюции вслед за первыми двумя — машинно-энергетической иинформационно-компьютерной. Потребность в датчиках стремительно растет в связис бурным развитием автоматизированных систем контроля и управления, внедрениемновых технологических процессов, переходом к гибким автоматизированнымпроизводствам. Помимо высоких метрологических характеристик датчики должныобладать высокой надежностью, долговечностью, стабильностью, малыми габаритами,массой и энергопотреблением, совместимостью с микроэлектронными устройствамиобработки информации при низкой трудоемкости изготовления и небольшойстоимости. Этим требованиям в максимальной степени удовлетворяютволоконно-оптические датчики.

Волоконно-оптические датчики

Первые попытки создания датчиков на основе оптических волоконможно отнести к середине 1970-х годов. Публикации о более или менее приемлемыхразработках и экспериментальных образцах подобных датчиков появились во второйполовине 1970-х годов. Однако считается, что этот тип датчиков сформировалсякак одно из направлений техники только в начале 1980-х годов. Тогда же появилсяи 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 вее общем виде. К тому времени произошла определенная систематизация в областиэлектротехники на основе теории электромагнетизма и цепей переменного тока. Доэтого физические величины измерялись главным образом механическими средствами,а сами механические измерения распространены были незначительно. Электрическиеже измерения ограничивались едва ли не исключительно толькоэлектростатическими. Можно сказать, что метрология, развиваясь по мерепрогресса электротехники, с конца XIX века стала как бы ее родной сестрой.

Рассмотрим этапы и успехи этого развития. В течение нескольких десятковлет, вплоть до второй мировой войны, получили распространениеэлектроизмерительные приборы, принцип работы которых основан на силахвзаимодействия 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 электроизмерительнымприборам, становятся ядром метрологии и измерительной индустрии.

После второй мировой войны значительные успехи в развитии электроникипривели к громадным переменам в метрологии. В пятидесятых годах появилисьосциллографы, содержащие от нескольких десятков до сотни и более электронныхламп и обладающие весьма высокими функциональными возможностями, а также целыйряд подобных устройств, которые стали широко применяться в сфере производства инаучных исследований. Так наступила эра электронных измерений. Сегодня, попрошествии 30 лет, значительно изменилась элементная база измерительныхприборов. От электронных ламп перешли к транзисторам, интегральным схемам (ИС),большим ИС (БИС). Таким образом, и сегодня электроника является основой измерительнойтехники.

От аналоговых измерений к цифровым

Однако между электронными измерениями, которые производились в1950-e годы, и электронными измерениями 1980-х годов большая разница. Суть еезаключается в том, что во многие измерительные приборы введена цифроваятехника.

Обычно электронный измерительный прибор имеет структуру, подобнуюизображенной на рис. 1. Здесь датчик в случае измерения электрической величины(электрический ток или напряжение) особой роли не играет, и довольно частовыходным устройством такого измерителя является индикатор. Однако при использованииподобного прибора в какой-либо измерительной системе сплошь и рядом приходитсясталкиваться с необходимостью обработки сигнала различными электроннымисхемами. Внедрение цифровой измерительной техники подразумевает в идеале, чтоцифровой сигнал поступает непосредственно от чувствительного элемента датчика.Но пока это скорее редкость, чем правило. Чаще же всего этот сигнал имеет аналоговуюформу, и для него на входе блока обработки данных установлен аналого-цифровойпреобразователь (АЦП). Цифровая же техника используется главным образом в блокеобработки данных и в выходном устройстве (индикаторе) или в одном из них.

<img src="/cache/referats/3410/image002.gif" v:shapes="_x0000_i1025">

Рис. 1. Типовая структура электронного измерителя


Основное преимущество использования цифровой техники в процессеобработки данных — это сравнительно простая реализация операций высокогоуровня, которые трудно осуществимы с помощью аналоговых устройств. К такимоперациям относятся подавление шумов, усреднение, нелинейная обработка,интегральные преобразования и др. При этом функциональная нагрузка начувствительный элемент датчика уменьшается и снижаются требования кхарактеристикам элемента. Кроме того, благодаря цифровой обработке становитсявозможным измерение весьма малых величин.

Цифризация и волоконно-оптические датчики

Важно отметить, что одним из этапов развития волоконно-оптическихдатчиков было функциональное расширение операций, выполняемых в блоке обработкиданных датчика, путем их цифризации и, что особенно существенно, упрощениеопераций нелинейного типа. Ведь в волоконно-оптических датчиках линейностьвыходного сигнала относительно измеряемой физической величины довольно часто неудовлетворительна.Благодаря же цифризации обработки эта проблема теперь частично или полностьюрешается.

Нечего и говорить, что важный стимул появленияволоконно-оптических датчиков — создание самих оптических волокон, о которыхбудет рассказано ниже, а также взрывообразное развитие оптической электроники иволоконно-оптической техники связи.

Становление оптоэлектроники и появлениеоптических волокон

Лазеры и становление оптоэлектроники

<img src="/cache/referats/3410/image004.jpg" v:shapes="_x0000_i1026">

Рис. 2. Снижение минимальных потерь передачи для различных типов оптических волокон


Оптоэлектроника — это новая область науки и техники, которая появиласьна стыке оптики и электроники. Следует заметить, что в развитии радиотехники ссамого начала ХХ века постоянно прослеживалась тенденция освоенияэлектромагнитных волн все более высокой частоты. Вытекающее из этого фактапредположение, что однажды радиотехника и электроника достигнут оптическогодиапазона волн, становится все более и более достоверным, начиная с 1950-хгодов. 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 различныхоптоэлектронных устройств связи, нынче называемых оптронами, т. е. когда былиобсуждены основные характеристики соединения оптического и электронногоустройств.

С тех пор оптоэлектроника непрерывно развивается, и полагают, чтодо конца ХХ века она превратится в огромную отрасль науки и техники, соизмеримуюс электроникой. Появление в начале 1960-х годов лазеров способствовалоускорению развития оптоэлектроники. Потенциальные характеристики лазеровописаны 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 комнатнойтемпературе полупроводниковые лазеры, которые в настоящее время получилинаиболее широкое применение, стали выпускаться с 1970 г.

Появление оптических волокон

Важным моментом в развитии оптоэлектроники является создание оптическихволокон. Особенно интенсивными исследования стали в конце 1960-x годов, аразработка в 1970 г. американской фирмой «Корнинг» кварцевого волокнас малым затуханием (20 дБ/км) явилась эпохальным событием и послужила стимуломдля увеличения темпов исследований и разработок на все 1970-е годы.

На рис. 2 показано снижение минимальных потерь передачи для различныхоптических 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 былообеспечение ими оптических систем связи. Тем не менее в 1970-е годы, когда втехнике оптических волокон применительно к оптическим системам связи былидостигнуты уже значительные успехи, влияние волокон на развитие волоконно-оптическихдатчиков, о которых пойдет речь в этой книге, оказалось несколько неожиданным.

Одно- и многомодовые оптические волокна.

<img src="/cache/referats/3410/image006.jpg" v:shapes="_x0000_i1027">

Рис. 3. Одномодовое (а) и многомодовое (б) оптическое волокно

Оптическое волокно обычно бывает одногоиз двух типов: одномодовое, в котором распространяется только одна мода (тип распределенияпередаваемого электромагнитного поля), и многомодовое — с передачей множества(около сотни) мод. Конструктивно эти типы волокон различаются только диаметромсердечника — световедущей части, внутри которой коэффициент преломления чутьвыше, чем в периферийной части — оболочке (рис. 3).

В технике используются как многомодовые, так и одномодовые оптическиеволокна. Многомодовые волокна имеют большой (примерно 50 мкм) диаметрсердечника, что облегчает их соединение друг с другом. Но поскольку групповаяскорость света для каждой моды различна, то при передаче узкого световогоимпульса происходит его расширение (увеличение дисперсии). По сравнению смногомодовыми у одномодовых волокон преимущества и недостатки меняются местами:дисперсия уменьшается, но малый (5...10 мкм) диаметр сердечника значительнозатрудняет соединение волокон этого типа и введение в них светового лучалазера.

Вследствие этого одномодовые оптические волокна нашли преимущественноеприменение в линиях связи, требующих высокой скорости передачи информации(линии верхнего ранга в иерархической структуре линий связи), а многомодовыечаще всего используются в линиях связи со сравнительно невысокой скоростьюпередачи информации. Имеются так называемые когерентные волоконно-оптическиелинии связи, где пригодны только одномодовые волокна. В многомодовом оптическомволокне когерентность принимаемых световых волн падает, поэтому егоиспользование в когерентных линиях связи непрактично, что и предопределилоприменение в подобных линиях только одномодовых оптических волокон.

Напротив, хотя при использовании оптических волокон для датчиковвышеуказанные 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 преимуществомодномодовых волокон является возможность передачи информации о фазе оптическойволны, что неосуществимо с помощью многомодовых волокон. Следовательно, вданном случае необходимо только одномодовое оптическое волокно, как и вкогерентных линиях связи. Тем не менее, на практике применение одномодовогооптического волокна при измерении нетипично из-за небольшой его дисперсии.Короче говоря, в сенсорной оптоэлектронике, за исключениемдатчиков-интерферометров, используются многомодовые оптические волокна. Этообстоятельство объясняется еще и тем, что в датчиках длина используемых оптическихволокон значительно меньше, чем в системах оптической связи.

Характеристики оптического волокна какструктурного элемента датчика и систем связи

Прежде чем оценивать значимость этих характеристик для обеих областейприменения, отметим общие достоинства оптических волокон:

·<span Times New Roman"">   

·<span Times New Roman"">   

·<span Times New Roman"">   

·<span Times New Roman"">   

·<span Times New Roman"">   

·<span Times New Roman"">   

·<span Times New Roman"">   

·<span Times New Roman"">   

·<span Times New Roman"">   

·<span Times New Roman"">   

·<span Times New Roman"">   

В области оптической связи наиболее важны такие достоинства волокна,как широкополосность и малые потери, причем в строительстве внутригородскихсетей связи наряду с этими свойствами особое значение приобретают малый диаметри отсутствие взаимной интерференции, а в электрически неблагоприятнойокружающей среде — безындукционность. Последние же три свойства в большинствеслучаев здесь не играют какой-либо заметной роли.

В практике использования волоконно-оптических датчиков имеют наибольшеезначение последние четыре свойства. Достаточно полезны и такие свойства, какэластичность, малые диаметр и масса. Широкополосность же и малые потеризначительно повышают возможности оптических волокон, но далеко не всегда этипреимущества осознаются разработчиками датчиков. Однако, с современной точкизрения, по мере расширения функциональных возможностей волоконно-оптическихдатчиков в ближайшем будущем эта ситуация понемногу исправится.

Как будет показано ниже, в волоконно-оптических датчикахоптическое волокно может быть применено просто в качестве линии передачи, аможет играть роль самого чувствительного элемента датчика. В последнем случаеиспользуются 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 системахсвязи оцениваются как недостатки, в датчиках же их появление считается скореепреимуществом, которое следует развивать.

Следует также отметить, что оптические волокна существенно улучшаютхарактеристики устройств, основанных на эффекте Саньяка.

Классификация  волоконно-оптических датчиков и примеры ихприменения

Современные волоконно-оптические датчики позволяют измерять почтивсе. 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, дозурадиационного излучения и т.д.

Если классифицироватьволоконно-оптические датчики с точки зрения применения в них оптического волокна,то, как уже было отмечено выше, их можно грубо разделить на датчики, в которыхоптическое волокно используется в качестве линии передачи, и датчики, в которыхоно используется в качестве чувствительного элемента. Как видно из таблицы 1, вдатчиках типа «линии передачи» используются в основном многомодовыеоптические волокна, а в датчиках сенсорного типа чаще всего — одномодовые.

<span Times New Roman";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»; mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language:RU;mso-bidi-language:AR-SA">

Таблица 1. Характеристикиволоконно-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

<img src="/cache/referats/3410/image008.gif" v:shapes="_x0000_i1028">

Рис. 5. Волоконно-опти­ческий датчик проходящего типа.

<img src="/cache/referats/3410/image010.gif" v:shapes="_x0000_i1029">

Рис. 7. Волоконно-оптический датчик антенного типа.

<img src="/cache/referats/3410/image012.gif" v:shapes="_x0000_i1030">

Рис. 6. Волоконно-оптический датчик отражательного типа.

<span Times New Roman";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»; mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language:RU;mso-bidi-language:AR-SA">

Краткая история исследований и разработок

В истории волоконно-оптических датчиков трудно зафиксировать какой-либоначальный момент, в отличие от истории волоконно-оптических линий связи. Первыепубликации о проектах и экспериментах с измерительной техникой, в которойиспользовалось бы оптическое волокно, начали появляться с 1973 г., а во второйполовине 1970-х годов их число значительно увеличилось. В 1978 году НэмотоТосио предложил общую классификацию волоконно-оптических датчиков (рис. 4.),которая мало отличается от современной. С наступлением 1980-х годов историяразвития волоконно-оптических датчиков обрастает значительными подробностями.

Заключение

<img src="/cache/referats/3410/image014.jpg" v:shapes="_x0000_i1031">

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 можнозаметить из табл. 1, являются оптическое волокно, светоизлучающие (источниксвета) и светоприемные устройства, оптический чувствительный элемент. Крометого, специальные линии необходимы для связи между этими элементами или дляформирования измерительной системы с датчиком. Далее, для практическоговнедрения волоконно-оптических датчиков необходимы элементы системной техники,которые в совокупности с вышеуказанными элементами и линией связи образуютизмерительную систему.

Список литературы

Окоси Т. и др. Волоконно-оптические датчики.

Оглавление

 TOC o «1-3» «PLM загол1;1;PLM загол 2;2;PLM загол 3;3» … GOTOBUTTON _Toc356151623   PAGEREF _Toc356151623 2

Волоконно-оптические датчики… GOTOBUTTON _Toc356151625   PAGEREF _Toc356151625 2

От электрических измерений к электронным… GOTOBUTTON _Toc356151626   PAGEREF _Toc356151626 2

От аналоговых измерений к цифровым… GOTOBUTTON _Toc356151627   PAGEREF _Toc356151627 3

Цифризация и волоконно-оптические датчики… GOTOBUTTON _Toc356151628   PAGEREF _Toc356151628 4

Становление оптоэлектроники и появление оптических волокон… GOTOBUTTON _Toc356151629   PAGEREF _Toc356151629 4

Лазеры и становление оптоэлектроники… GOTOBUTTON _Toc356151630   PAGEREF _Toc356151630 4

Появление оптических волокон… GOTOBUTTON _Toc356151631   PAGEREF _Toc356151631 6

Одно- и многомодовые оптические волокна.… GOTOBUTTON _Toc356151632   PAGEREF _Toc356151632 6

Характеристики оптического волокна как структурного элементадатчика и систем связи      GOTOBUTTON _Toc356151633   PAGEREF _Toc356151633 7

Классификация волоконно-оптических датчиков и примеры их применения… GOTOBUTTON _Toc356151634   PAGEREF _Toc356151634 9

Датчики с оптическим волокном в качестве линии передачи… GOTOBUTTON _Toc356151635   PAGEREF _Toc356151635 10

Датчики с оптическим волокном в качестве чувствительногоэлемента… GOTOBUTTON _Toc356151636   PAGEREF _Toc356151636 12

Краткая история исследований и разработок… GOTOBUTTON _Toc356151637   PAGEREF _Toc356151637 15

Заключение… GOTOBUTTON _Toc356151638   PAGEREF _Toc356151638 15

Список литературы… GOTOBUTTON _Toc356151639   PAGEREF _Toc356151639 16

Оглавление… GOTOBUTTON _Toc356151640   PAGEREF _Toc356151640 16

еще рефераты
Еще работы по радиоэлектронике