Волоконно-оптические системы (стр. 6 из 8)

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.

2.5 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 2.1 - 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 микроиз- гибах 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. 2.5 - Волоконно-оптический датчик проходящего типа.

Рис. 2.6 - Волоконно-оптический датчик антенного типа.

Рис. 2.7 - Волоконно-оптический датчик отражательного типа.

2.6 Заключение по главе

Рис.2.4 - 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. 2.1, 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.