Волоконно-оптические датчики

Оптическое волокно — нить из оптически прозрачного материала (стекло, пластик), используемая для переноса света внутри себя посредством полного внутреннего отражения.

История появление  оптических волокон

Важным моментом в развитии оптоэлектроники  является создание оптических волокон. В Японии об этих волокнах и об их потенциальных возможностях было заявлено в патенте Сэки Нэгиси (1936 г, о стеклянном волноводе) и в патенте Нисидзава Сасаки (1964 г, об оптических линиях с фокусирующими свойствами). Но особенно интенсивными исследования стали в конце 1960-х 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 1 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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Материалы

Стеклянные оптические волокна  делаются из кварцевого стекла, но для  дальнего инфракрасного диапазона  могут использоваться другие материалы, такие как фтороцирконат, фторалюминат и халькогенидные стекла. Как и  другие стекла, эти имеют показатель преломления около 1,5.

В настоящее время развивается  применение пластиковых оптических волокон. Сердечник в таком волокне  изготовляют из полиметилметакрилата (PMMA), а оболочку из фторированных PMMA (фторполимеров).

Одно- и многомодовые оптические волокна

 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.

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. Исследования таких линий в Японии начались в 1978 г., и  особенно продвинулись в середине 1980-х годов, причем сравнительно с результатами основных исследовательских организаций по электросвязи во всем мире выглядели более успешными. 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 сен- сорной 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.

Преимущества  волокно-оптических датчиков

    В сравнении  с другими типами датчиков, волокно-оптические  датчики обладают следующими  преимуществами:

1. Они состоят из электрически непроводящих материалов (не требуют электрических кабелей), что позволяет использовать их, например, в местах с высоким напряжением.
2. Их можно безопасно использовать во взрывоопасной среде, потому, что нет риска возникновения электрической искры, даже в случае поломки.
3. Они не подвержены электромагнитным помехам (EMI), даже вблизи разряда молнии, и сами по себе не электризуют другие устройства.
4. Их материалы могут быть химически инертны, то есть не загрязняют окружающую среду, и не подвержены коррозии.
5. Они имеют очень широкий диапазон рабочих температур (гораздо больше, чем у электронных устройств).
6. Они имеют возможность мультиплексирования; несколько датчиков в одиночной волоконной линии может быть интегрировано с одним оптическим источником.

 

Классификация волоконно-оптических датчиков и примеры их применения

Оптоволоконные  датчики, исходя из принципа кодирования  измеряемой информации, можно условно разделить на следующие большие группы:

1. фазовые – датчики, в которых используется высококо герентный источник излучения и производится измерение фазы световой волны, изменяющейся под влиянием внешнего параметра;
2. со спектральным кодированием – датчики, где, в отличие от чисто фазовых, используется источник излучения с широким спектром с возможностью анализа всего спектра;
3. амплитудные – датчики, в которых измеряемый параметр модулирует интенсивность проходящей или отраженной световой волны;
4. туннельные – датчики, где используется эффект туннелирования излучения через малый зазор.
5. поляризационные – датчики, использующие информацию о поляризации световой волны;

 

Стоит отметить, что  это не единственный способ классификации оптоволоконных датчиков. Можно провести классификацию по принципу действия:

1. интерференционные (Майкельсона, Фабри-Перо, Маха-Цандера и т.д.)
2. распределенные (обратное и прямое рассеяние)
3. люминесцентные
4. на внутриволоконных решетках
5. комбинированные.

Также можно классифицировать датчики по локализации измеряемого параметра:

1. точечные
2. распределенные
3. квазираспределенные

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Типы  волоконно-оптических датчиков:

а) точечный; б) распределенный; в) квазираспределенный

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. Малый размер и фактическое отсутствие необходимости в электрической энергии, даёт волоконно-оптическим датчикам преимущество перед традиционными электрическими в определённых областях.

Оптическое волокно используется в гидрофонах в сейсмических или  гидролокационных приборах. Созданы  системы с гидрофонами, в которых  на волоконный кабель приходится более 100 датчиков. Системы с гидрофоновым датчиком используются в нефтедобывающей промышленности, а также флотом некоторых стран. Немецкая компания Sennheiser разработала лазерный микроскоп, работающий с лазером и оптическим волокном.

Волоконно-оптические датчики, измеряющие температуры и давления, разработаны для измерений в  нефтяных скважинах. Они хорошо подходят для такой среды, работая при  температурах, слишком высоких для  полупроводниковых датчиков.

Разработаны устройства дуговой  защиты с волоконно-оптическими  датчиками, основными преимуществами которых перед традиционными  устройствами дуговой защиты являются: высокое быстродействие, нечувствительность к электромагнитным помехам, гибкость и лёгкость монтажа, диэлектрические  свойства.

Оптическое волокно применяется  в лазерном гироскопе, используемом в Boeing 767 и в некоторых моделях  машин (для навигации). Специальные  оптические волокна используются в  интерферометрических датчиках магнитного поля и электрического тока. Это  волокна, полученные при вращении заготовки с сильным встроенным двойным лучепреломлением.

Другие применения оптического волокна

Оптические волокна широко используются для освещения. Они  используются как световоды в  медицинских и других целях, где  яркий свет необходимо доставить  в труднодоступную зону. В некоторых  зданиях оптические волокна направляют солнечный свет с крыши в какую-нибудь часть здания. Волоконно-оптическое освещение также используется в  декоративных целях, включая коммерческую рекламу, искусство и искусственные  рождественские ёлки.

Оптическое волокно также  используется для формирования изображения. Пучок света, передаваемый оптическим волокном, иногда используется совместно  с линзами — например, в эндоскопе, который используется для просмотра  объектов через маленькое отверстие.

Один из способов механической шифровки изображения заключается  в следующем: большое количество оптических волокон, оба конца которых  расположены упорядоченно, тщательно  переплетают в середине, а затем  разрезают пополам. Одна половина получившейся конструкции используется для шифровки изображения, а другая — для дешифровки: изображение, пройдя через переплетённые  световоды, превращается в бессмысленный  набор точек разного цвета, но после прохода через вторую половину этот набор точек восстанавливается до оригинала. Преимущество этого метода заключается в простоте изготовления шифрующего механизма и в невозможности расшифровать передаваемое изображение без шифратора или дешифратора (шифратор и дешифратор в такой системе абсолютно взаимозаменяемы). Недостаток заключается в значительной потере качества изображения, зависящей от толщины используемых световодов, и в необходимости очень точно позиционировать зашифрованное изображение перед дешифратором — малейший перекос будет препятствовать расшифровке.

Оптическое волокно используется при конструировании волоконного  лазера.

Список литературы

1. Листвин А. В., Листвин В. Н., Швырков Д. В. Оптические волокна для линий связи.
2. Окоси Т., Окамото К., Оцу М., Нисихара X., Кюма К., Хататэ К.; Под ред. Око Т.. Волоконно-оптические датчики.
3. Статья: «Волоконно оптические датчики и системы. Авторы: А. Н. Соколов, В. А. Яцеев.

Аннатация

В статье рассмотрены основные типы волоконно-оптических датчиков, проведена их сравнительная характеристика, а так же история появления оптического волокна. Преимущества и примеры применения волоконно-оптических датчиков.

(на английском  языке будет чуть позже если  статья подходит)

Ключевые слова

Датчик, оптическое волокно.