Слайд 2Первые две революции в технике – машинно-энергетическая и информационно-компьютерная.
Сенсоризация производственной
деятельности - это третья промышленная революция.
При этом датчики должны
обладать:
электромагнитной совместимостью,
пожаро и взрывобезопасностью,
высокой надежностью,
малыми габаритами, массой, и энергопотреблением,
совместимостью с микроэлектронными устройствами обработки информации.
Эти требования удовлетворяют волоконно-оптические датчики (ВОД) физических величин.
Слайд 3Основные причины развития волоконной оптики:
Переход из радиодиапазона в световой
диапазон волн позволяет увеличить несущую частоту в 104 – 106
раз, и во столько же раз увеличить обьем передаваемой информации (до 1 – 10 Гбит/с).
Замена меди и металлов на кварц и полимеры при производстве кабелей позволяет снизить в 10-100 раз массу и стоимость соединительных кабелей.
Быстродействие приемо/передающих модулей позво-ляет реализовать высокие скорости (до 560 Мбит/с).
Малые потери (≤ 0,15 дБ/км) кварцевых оптических волокон позволяют ставить ретрансляторы на 100 км.
Пожаро/взрывобезопасность, электромагнитная совместимость.
Волоконно-оптические технологии позволяют реали-зовать эффективное мультиплексирование сигналов.
Слайд 4Основными элементами для волоконной оптики
являются :
Оптическое волокно.
Излучатель света
(полупроводниковый лазер или светодиод)
Фотоприемник
Оптоэлектроника и
волоконная оптика – область науки, появившаяся на стыке оптики и электроники.
Слайд 5Оптическое волокно – основные свойства.
Принцип действия оптического волокна.
Слайд 6Конструкция оптического одномодового волокна (а))
и оптического многомодового волокна (б))
Слайд 8Излучатель (полупроводниковый лазер или светодиод)
Слайд 9Свойства светодиодов:
Общая ширина спектра составляет от 35 до
90 нм.
Свет – неполяризованный.
Угловая расходимость излучения, выходящего
из
светодиода, составляет порядка 20 – 40 градусов.
Выпускаются светодиоды, сопряженные с оптическим
волокном
Слайд 10Типовые спектры п/п лазера по длинам волн
(для многомодового и
одномодового лазера).
Одномодовый лазер излучает линейно поляризованный
свет.
Угловая расходимость излучения на выходе лазера
составляет 15 – 20 град.
Лазеры выпускаются сопряженными с оптоволокном.
Слайд 11Фотоприемник
Основные типы применяемых фотодиодов:
лавинные фотодиоды,
pin - фотодиоды
Слайд 12Компонентная основа оптоэлектроники и волоконной оптики.
Кроме описанных выше, для реализации
волоконно-оптических датчиков необходимы другие компоненты:
Оптические разьемы, соединители и разветвители
на базе волоконно-оптической технологии,
Оптические элементы схемы: градиентные и френелев-ские линзы (граданы, селфоки), зеркала, поляризаторы на базе волоконно оптических технологий,
Обьемные диффракционные решетки (Брэгговские решетки) в волоконно оптическом исполнении.
Такие элементы разработаны и выпускаются в настоящее время в достаточно широкой номенклатуре.
Слайд 13По принципу воздействия измеряемой физической величины на параметры оптической волны
ВОД делятся на четыре типа:
Датчики интенсивности (амплитудные датчики), в
которых внешнее воздействие модулирует интенсивность световой волны,
Фазовые датчики, в которых при внешнем воздейст-вии изменяется фаза световой волны на выходе,
Поляризационные датчики, в которых изменяется поляризация световой волны,
Частотные датчики, в которых физическое воздей-ствие изменяет частоту генерируемого, отраженного или пропускаемого света.
Слайд 15Датчики интенсивности имеют малые габариты, так как или модулирующее устройство,
встроенное в волоконно-оптический тракт, или введенную в волоконную линию нерегулярность
(разрыв, изгиб, ..).
Другим достоинством таких датчиков является их совместимость с простыми в работе и недорогими системами передачи на многомодовых оптических волокнах, и, соответственно, со светодиодами как источником света.
Для детектирования модулированного по интенсивности светового сигнала применяется обычная методика фотодетектрования.
Слайд 16Фазовые датчики используют эффект накапливающе-гося изменения фазы в протяженном отрезке
волокна.
Поэтому их динамический диапазон и
чувствительность зависят от длины волоконного отрезка в сенсоре, и можно достичь любых требуемых значений чувствительности (но только теоретически).
Фазовые датчики не столь малогабаритны, как другие ВОД, так как оптическое волокно нельзя свивать в катушки диаметром менее 3 – 6 см.
Для таких ВОД используется одномодовое волокно, что усложняет изготовление таких сенсоров, и лазер в качестве источника света.
Кроме того, для детектирования сигнала надо применять гомодинное и гетеродинное детектирование.
Слайд 17Поляризационные датчики могут выполняться в локализованной или распределенной конструкциях в
зависимости от того, какой элемент применяется для модуляции поляризации световой
волны.
Это может быть или встроенный малогабаритный преобразователь, или само волокно.
Для детектирования поляризационно-модулированного сигнала применяется схема со скрещенными поляризаторами.
Существует ряд ограничений для широкого применения поляризационных датчиков, поэтому мы не будем подробно говорить о них.
Слайд 20Температурные датчики с сенсорным элементом вне волокна (основные типы)
Температурные датчики
на основе теплового излучения.
Энергия теплового излучения, испуска-
емая черным
телом при температуре Т,
выражается формулой Планка. По мере
повышения температуры энергия излу-
чения увеличивается, а длина волны λm
на которой излучение максимально,
уменьшается. Между λm и Т
существует зависимость (закон Вина)
λm T = 2.9 10-3 [м K] ,
Энергия теплового излучения любого
тела зависит от вещества и состояния
поверхности тела. Поэтому измеряют
интенсивность излучения тела на двух
длинах волн. По отношению этих
величин определяется температура тела
Преимущество способа – возможность
бесконтактного измерения высоких
температур.
Диапазон прозрачности оптического
волокна из кварцевого стекла 0.4–2.0 мкм
поэтому диапазон измеряемых
температур составляет от 400 до 2000оС.
Слайд 212. Датчик температуры на основе поглощения света
полупроводником. Работа такого
ВОД основана на оптических свойствах полупроводников типа GaAs, GdTe, и
других.
Полупроводник имеет граничную длину волны λg спектра
оптического поглощения, и для света с более короткой длиной
волны, чем λg , поглощение резко увеличивается.
По мере роста температуры граничная длина волны λg сдвигается
в сторону более длинных волн.
Полупроводниковый кристалл зажимается между приемным и
передающим оптическими волокнами, и на него подается
оптическое излучение от источника света по входному волокну.
По выходному волокну оптическое излучение передается к детектору. С помощью такого датчика на кристалле GaAs можно измерять температуру в пределах 30 – 300оС с точностью ±0.5оС.
Температурные датчики с сенсорным элементом вне волокна (основные типы)
Слайд 22Температурные датчики с сенсорным элементом вне волокна (основные типы)
3. Температурный
датчик на основе флюоресценции.
На торец оптического волокна наносится
флюоресцентное
вещество. Флюоресцентное излучение возникает под действием
ультрафиолетового излучения, которое передается от источника
света по оптическому волокну. Флюоресцентное излучение
принимается этим же оптическим волокном, и передается к фотодиоду.
Используется сильная температурная зависимость интенсивности
флюоресцентного излучения в области 510 нм, и его слабая
температурная зависимость в области 630 нм.
Использование двухволнового метода дает возможность измерять температуру от – 50 до + 200оС с погрешностью ± 0.1оС.
Слайд 23ДАТЧИКИ НА ОСНОВЕ ВОЛОКОННЫХ БРЭГГОВСКИХ РЕШЕТКАХ (ВБР)
Слайд 24Частотные датчики используют изменение частоты (длины волны) или генерируемого, или
проходящего, или отраженного света.
Эти датчики были развиты в последнее
время, после того, как удалось реализовать волоконные Брэгговские решетки (ВБР). Принцип действия ВБР пояснен ниже.
Эти датчики, как наиболее перспективные, мы рассмотрим ниже подробнее.
Слайд 25Фоточувствительность легированного кварцевого стекла, то есть его способность изменять показатель
преломления (ПП) под действием излучения, в настоящее время активно исследуется
и имеет широкое применение в системах волоконно-оптической связи, волоконных лазерах, системах измерения различных физических величин и др
К числу химических элементов, увеличивающих фоточувствительность световодов при легировании:
германием,
азотом (при 193 нм),
фосфором ,
серой ,
сурьмой.
Слайд 26Методы изготовления брэгговских решеток
Слайд 27Методы изготовления брэгговских решеток
Схемы записи длиннопериодных ВБР решеток УФ-излучением: с
помощью амплитудной маски (а); пошаговым методом (б)
Слайд 28Спектральные свойства отражения и пропускания ВБР. Зависимость от Δnmod -разности
показателя преломления ВБР
Случай малого (Δnmod )
Случай большого Δnmod
Слайд 31Внешнее физическое воздействие (температура или деформация) приводит к деформации (изменению)
межплоскостных расстояний в решетке Брэгга, что вызывает спектральный сдвиг отраженного
оптического сигнала (или сдвиг по спектру провала в интенсивности проходящего света).
Длина волны брэгговских решеток λBG зависит от температуры световода и от приложенных к нему механических растягивающих или сжимающих напряжений
Слайд 32Зависимость длины волны ВБР λBG от внешней температуры ΔТ и
деформаций (механических напряжений ε )
Pij - коэффициенты Поккельса упруго-оптического тензора,
n - коэффициент Пуассона для кварца,
a - коэффициент теплового расширения кварцевого стекла,
n - эффективный показатель преломления основной моды.
Типичные значения: ΔλBG ~ 0.01 нм/К
ΔλBG ~ 103 x ΔL/L (нм).
Слайд 33Два способа измерения спектрального сдвига ΔλBG в ВБР
Наиболее прямым является
измерение ΔλBG спектра пропускания/отражения решетки с помощью широкополосного источника излучения
и спектроанализатора. Его преимущество – скорость сканирования по диапазону. Недостатки: невысокая точность, дороговизна, сложность обработки.
2. Второй способ - с помощью узкополосного перестраиваемого лазера и фотоприемника. Этот способ является нечувствительным к оптическим потерям оптического тракта, и обеспечивает высокую точность измерений λBG. Такая схема регистрации использует достаточно дорогостоящее оборудование и имеет ограниченное быстродействие.
Слайд 34Датчики физических величин на основе брэгговских решеток
ВБР – это наиболее
перспективные чувствительные элементы для волоконно-оптических датчиков. К числу их основных
преимуществ можно отнести:
защищенность от воздействия электромагнитных полей,
высокую чувствительность, надежность, воспроизводимость
широкий динамический диапазон измерений,
возможность спектрального и пространственного мультиплек-сирования чувствительных элементов, расположенных в одном или
в нескольких световодах,
значительное расстояние до места проведения измерений,
малое время отклика на изменение измеряемой величины,
высокую коррозионную и радиационную стойкость,
малые габариты и вес, и ряд других.
Слайд 36Сенсоризация на ВБР
Температура
Давление среды
Смещение. ускорение
Механическое напряжение, деформация
Магнитное поле
Датчики уровня
жидкостей
Содержание нефти и нефтепродуктов
Сеть нескольких одно/разнотипных датчиков на одном оптическом
волокне (спектральное мультиплексирование измерительных каналов)
Слайд 37 Указанные схемы позволяют измерить физическую величину в месте нахождения
ВБР (локально).
Часто возникают задачи измерения пространственного
распределения величины. Для этого разработаны схемы мультиплексировния сенсоров, в том числе расположенные в одном световоде. К числу таких схем следует отнести:
· спектральное мультиплексирование каналов, при котором чувствительные элементы разнесены на различные длины волн;
· использование оптических переключателей, подключающих тот или иной чувствительный элемент к системе измерения;
· пространственно-временное мультиплексирование, при котором отклик от каждой из решеток регистрируется в различные моменты времени;
· комбинированные схемы, включающие в себя несколько принципов мультиплексирования каналов, перечисленных выше.
Перечисленные схемы измерения обеспечивают точность измерения температуры ~0.1ºС и относительного удлинения ~10-6.
Слайд 38Применение брэгговских решеток в схемах диодных и волоконных лазеров
Схема
стабилизации излучения полупроводниковых диодных лазеров с помощью волоконной брэгговской решетки:
1 - диодный лазер, 2 - волоконный световод, 3 – ВБР. Излучение лазера 1 с помощью линзы, сформированной на торце световода 2, вводится в его сердцевину. Брэгговская решетка 3, записанная в световоде, формирует обратную связь на резонансной длине волны λBG. ВБР играет роль зеркала внешнего резонатора, что обеспечивает генерацию одной продольной моды лазера.
Спектр излучения диодного лазера:
без внешнего резонатора (а),
с внешним резонатором на основе ВБР (б)
Слайд 39Макет системы измерения температуры и деформации объектов
Система построена на
основе спектрального мультиплексирования отдельных каналов, каждый из которых представляет собой
спектр отражения волоконной брэгговской решетки длиной 5 мм. Максимум отражения от решетки зависит от температуры и деформации световода
Демонстрационный макет системы построен на основе 12 решеток, что позволяет измерять температуру T и деформацию ε в шести пространственно разнесенных точках объекта. Спектр отражения системы решеток приведен ниже.
Слайд 40Спектр отражения системы решеток
Слайд 41Широкополосный сигнал от полупроводникового источника света 3 через волоконно-оптический разветвитель
2 поступает в волоконную измерительную линию 1. Отраженный решетками сигнал
через тот же ответвитель поступает на оптический анализатор спектра 4. Персональный компьютер 5 считывает спектр и обрабатывает его с помощью специальной программы.
Датчики закреплены на металлической балке 6. Балка располагается на опорах 7, расположенных по ее краям
Слайд 42Результаты тестирования квазираспределе
нного волоконно-оптического датчика температуры и деформации
Шумы и
долговременная стабильность датчика температуры
Слайд 43Технические данные и характеристики системы