Part 6 FOS-2013.ppt

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.

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.

Излучатель света
(полупроводниковый лазер или светодиод)

Фотоприемник
Оптоэлектроника и

волоконная оптика – область науки, появившаяся на стыке оптики и электроники.

90 нм.
Свет – неполяризованный.
Угловая расходимость излучения, выходящего

из
светодиода, составляет порядка 20 – 40 градусов.

Выпускаются светодиоды, сопряженные с оптическим
волокном

одномодового лазера).
Одномодовый лазер излучает линейно поляризованный
свет.

Угловая расходимость излучения на выходе лазера
составляет 15 – 20 град.
Лазеры выпускаются сопряженными с оптоволокном.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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)

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.

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.

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.

помощью амплитудной маски (а); пошаговым методом (б)

показателя преломления ВБР
Случай малого (Δnmod )

Случай большого Δnmod

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

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).

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.

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.

жидкостей
Содержание нефти и нефтепродуктов
Сеть нескольких одно/разнотипных датчиков на одном оптическом

волокне (спектральное мультиплексирование измерительных каналов)

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.

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)

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.

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

долговременная стабильность датчика температуры