Волоконно-оптические датчики

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.

Страницы: 1, 2