Оптические датчики являются устройствами, которые предназначены для осуществления контроля расстояния и положения, определения цветовых и контрастных меток, а также решения других технологических задач. Приборы в основном используются в промышленном оборудовании.

По способу функционирования оптические датчики подразделяются на три вида.

Устройства, отражающие от объекта, способны излучать и принимать свет, который отходит от предмета, расположенного в зоне их действия. Определенное отражается от цели и при попадании на датчик производит установку соответствующего логического уровня. Величина зоны срабатывания во многом зависит от вида устройства, размеров, цвета, кривизны и других параметров объекта. В своей конструкции приемник и излучатель присутсвуют в одном корпусе.

Оптические датчики, отражающие от световозвращателя, принимают и излучают свет, который исходит от специального рефлектора, и когда происходит прерывание луча объектом, на выходе появляется соответствующий сигнал. Область действия такого устройства зависит от состояния среды, которая окружает датчик и объект (туман, дым, пыль и др.). В данном приборе излучатель и приемник также размещаются в одном корпусе.

К третьему виду относятся оптические датчики, которые имеют раздельно расположенные приемник и источник света. Данные элементы устанавливаются друг напротив друга по одной оси. Предмет, попадающий в район вызывает его прерывание, а на выходе, соответственно, изменяется логический уровень.

Световые элементы устройств могут работать на разных к которым относятся инфракрасный или видимый (лазерный) свет, а также другие индикаторы цветовых меток.

В своей конструкции датчик оптический состоит из излучателя, генерирующего свет в различных диапазонах, а также приемника, который различает сигнал, испускаемый первым элементом. Обе составляющие устройства располагаются как в одном, так и в разных корпусах.

В основе работы приборов лежит изменение оптического излучения при появлении в зоне действия непрозрачного объекта. При включении устройства издается оптический луч, принимаемый через рефлектор или отраженный от объекта.

Затем на выходе датчика возникает цифровой или имеющий различную логику, который далее используется исполнительным устройством или схемой регистрации.

Волоконнооптические датчики имеют разную зону чувствительности, которая расположена в пределах от нескольких сантиметров до сотен метров.

Удобнее всего использовать диффузные устройства, которые самостоятельно срабатывают на объект. В своем большинстве оптические датчики позволяют изменять настройки чувствительности и индексации состояния выхода, производятся также самонастраиваемые модели.

На рынке устройства представлены многими производителями. Например, особой популярностью пользуются приборы, выпускаемые компанией AUTONICS. Они отличаются большим разнообразием, низкой ценой и высокой надежностью.

Введение

Различные преобразователи неэлектрических величин в электрические прочно заняли свое место во многих областях человеческого знания, и уж тем более -- в медицине. Трудно представить современного врача, занимающегося диагностикой различных заболеваний и их лечением, не опирающегося на огромное число достижений таких наук как радиоэлектроника, микроэлектроника, метрология, материаловедение. И хотя, датчики являются одной из самых медленно развивающихся областей медицинской электроники, да и всей электроники в целом, подавляющее большинство диагностических и терапевтических приборов и систем прямо или косвенно содержат множество самых разных преобразователей и электродов, без которых, подчас немыслима работа этой системы.

Некоторых типы датчиков будут рассмотрены в представленной работе. Определенная сложность заключается в огромнейшем разнообразии медицинских датчиков, а также в довольно малом количестве публикаций, касающихся этой темы.

Волоконно-оптические датчики

Оптоэлектроника -- это довольно 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.

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.

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 медицинской 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. 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. Таким образом, в сенсорной 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.

Необходимо отметить общие достоинства оптических волокон:

• · широкополосность (предполагается до нескольких десятков терагерц);
• · малые потери (минимальные 0,154 дБ/км);
• · малый (около 125 мкм) диаметр;
• · малая (приблизительно 30 г/км) масса;
• · эластичность (минимальный радиус изгиба 2 MM);
• · механическая прочность (выдерживает нагрузку на разрыв примерно 7 кг);
• · отсутствие взаимной интерференции (перекрестных помех типа известных в телефонии "переходных разговоров");
• · безындукционность (практически отсутствует влияние электромагнитной индукции, а следовательно, и отрицательные явления, связанные с грозовыми разрядами, близостью к линии электропередачи, импульсами тока в силовой сети);
• · взрывобезопасность (гарантируется абсолютной неспособностью волокна быть причиной искры);
• · высокая электроизоляционная прочность (например, волокно длиной 20 см выдерживает напряжение до 10000 B);
• · высокая коррозионная стойкость, особенно к химическим растворителям, маслам, воде.

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.

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. На использовании пучков таких волокон основывается вся техника эндоскопии.

Если классифицировать волоконно-оптические датчики с точки зрения применения в них оптического волокна, то, 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. В датчиках типа "линии передачи" используются в основном многомодовые оптические волокна, а в датчиках сенсорного типа чаще всего -- одномодовые.

С помощью волоконно-оптических датчиков с оптоволокном в качестве линии передач можно измерять следующие физические величины:

• · датчиком проходящего типа: температуру (на основе измерения изменения постоянной люминесценции в многомодовых волокнах, в диапазоне 0 - 70 °С с точностью ± 0,04 °С);
• · датчиком отражательного типа: концентрацию кислорода в крови (происходит изменение спектральной характеристики, детектируется интенсивность отраженного света, оптоволокно -- пучковое, с доступом через катетер).

Если же оптическое волокно в датчике использовать в качестве чувствительного элемента, то возможны следующие применения:

• · интерферометр Майкельсона позволяет измерять пульс, скорость кровотока: используя эффект Доплера можем детектировать частоту биений -- используются как одномодовое, так и многомодовое волокна; диапазон измерений: 10 -4 - 10 8 м/с.
• · на основе неинтерферометричекой структуры возможно построить датчик, позволяющий определять дозу ионизирующего излучения, используемое физическое явления -- формирование центра окрашивания, детектируемая величина -- интенсивность пропускаемого света.

Подводя некоторый итог, надо сказать, что основными элементами волоконно-оптического датчика, 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

Классификация основных структур волоконно-оптических датчиков:

• · с изменением характеристик волокна (в том числе специальных волокон);
• · с изменением параметров передаваемого света;
• · с чувствительным элементом на торце волокна.

Cтраница 1

Волоконно-оптические датчики в настоящее время являются одной из наиболее динамично развивающихся областей оптоэлектроники. За последние 30 лет произошел стремительный переход от простейших конструкций волоконно-оптических датчиков температуры и давления к созданию широкой номенклатуры датчиков физических величин, которые ученые и инженеры используют в разнообразных областях науки и техники уже сегодня. Интенсивное развитие и совершенствование волоконно-оптических датчиков в значительной мере стимулируется все более расширяющимся процессом внедрения волоконно-оптических телекоммуникационных сетей в повседневную жизнь. Помимо непрерывного улучшения характеристик элементной базы волоконной оптики, находящей непосредственное использование в технологии производства волоконно-оптических датчиков, это открывает широкие перспективы для создания разветвленных измерительных систем, органично сочетающих в своем составе свойства систем связи и систем мониторинга, конфигурация которых может непрерывно совершенствоваться без привлечения дополнительных магистралей связи. Важным достоинством волоконно-оптических датчиков также является привнесение в измерительные системы новых качеств, таких, как: малые размеры, устойчивость к неконтролируемым и агрессивным воздействиям окружающей среды и к электромагнитным помехам, высокая чувствительность, дистанционность измерений и возможность мультиплексирования отдельных датчиков в сложные измерительные системы, технологичность производства и потенциальная низкая стоимость.  

Волоконно-оптические датчики на основе СВИФП и ВВИФП как правило имеют малые размеры и наиболее приспособлены для проведения локальных измерений параметров физических полей.  

Амплитудные волоконно-оптические датчики, в которых, в результате внешнего физического воздействия, наблюдается непосредственная модуляция интенсивности распространяющихся по световодам оптических сигналов, являются наиболее простыми и удобными в эксплуатации конструкциями ВОД. К настоящему моменту разработаны разнообразные конструкции амплитудных ВОД физических величин, которые условно можно разделить на два основных класса. К первому классу датчиков относятся амплитудные ВОД, в которых волоконные световоды выполняют пассивную функцию, связанную только с подводом и отводом излучения от чувствительного элемента. Такого рода конструкции имеют высокую чувствительность и достаточно просты, однако обладают рядом недостатков, которые не позволяют использовать их в распределенных измерительных системах. Эти недостатки кроются в необходимости разрыва непрерывной волоконной линии для обеспечения ввода излучения в чувствительный элемент датчика, что приводит к значительным потерям световой мощности на элементах межсоединений, кроме того, использование разнородных оптических компонентов обусловливает низкую механическую стабильность характеристик измерительных устройств.  

В волоконно-оптических датчиках ВОБР работают в режиме отражения излучения.  

Другие компоненты волоконно-оптических датчиков, например волоконные разветвители, могут эксплуатироваться без изменения свойств до температур 200 - 300 С, а источники излучения, фотоприемники и модуляторы до температуры 100 - 150 С. По этой причине источники излучения, мультиплексирования датчиков и обработки сигналов в аэрокосмических волоконно-оптических системах телеметрии необходимо заключать в специальные охлаждаемые блоки.  

Значительное место среди волоконно-оптических датчиков способны занять поляризационные датчики и датчики на основе одноволоконных многомодовых интерферометров, которые, как и волоконные интерферометры Фабри-Перо, нуждаются только в одном измерительном волоконном тракте и не требуют дополнительного опорного плеча, что значительно упрощает конструкцию измерительных систем.  

Волоконные световоды для волоконно-оптических датчиков В настоящее время главный приоритет промышленности, выпускающей волоконные световоды, состоит в создании волоконных световодов применительно к системам телекоммуникаций. Эти волокна имеют низкое затухание 0 5 дБ / км и оптимизированы для использования в спектральном диапазоне вблизи 1 3 и 1 55 мкм. Эти две длины волны излучения представляют интерес с точки зрения наличия нулевой материальной дисперсии (1 3 мкм) и минимума потерь (1 55 мкм) для одномодовых кварцевых волокон. В то же время создание волоконно-оптических датчиков требует использования излучения других областей спектра, а также многомодовых световодов. Для волоконных датчиков также большое значение имеет оптимизация подбора диаметра сердцевины, ее материала и разности показателей преломления сердцевины и оболочки.  

Источниками излучения в волоконно-оптических датчиках являются лазеры (газовые, твердотельные и полупроводниковые лазеры), светоиз-лучающие диоды, суперлюминесцентные и лазерные волоконно-оптические излучатели. Светоизлучающие диоды и суперлюминесцентные волоконные излучатели основаны на спонтанном излучении света, вследствие чего они обладают более широким спектром излучения и значительно меньшей длиной когерентности испускаемого ими света. Кроме того, статистика спонтанного излучения этих источников света близка к статистике тепловых источников излучения, что делает определяющими для них флуктуации интенсивности света. Лазерные источники излучения, имея относительно низкий уровень шума интенсивности и узкую спектральную полосу испускаемого света, являются высоко когерентными источниками света, что делает их источниками шумов интенсивности и источниками фазового шума.  

Пространственное разрешение распределенных ВРМБ волоконно-оптических датчиков определяется длительностью зондирующего лазерного импульса, тогда как точность измерения температуры и деформации световода зависит от отношения сигнал / шум в системе измерений и точности измерения бриллю-эновского сдвига частоты в спектре излучения.  

Такими независимыми датчиками могут быть волоконно-оптические датчики температуры, основанные на эффекте Рама-новского или ВРМБ-рассеяния.  

Ряд работ связан с созданием волоконно-оптических датчиков температуры, действие которых основано на сдвиге края оптического поглощения полупроводников.  

Как показывает маркетинг перспектив внедрения разработок волоконно-оптических датчиков в технику и промышленное производство, их рынок только в Северной Америке к 2010 году будет доведен до 5 млрд долларов. Наибольшие перспективы использования волоконно-оптических датчиков видятся в таких отраслях, как: химическая и нефтеперерабатывающая промышленность, авиа - и космическая техника, транспорт, строительство, биомедицинская промышленность, военные применения и др. Широкое развитие получили волоконные гироскопы, которые в сочетании с цифровыми картами и глобальной спутниковой системой связи позволили создать качественно новые навигационные системы для самолетов и автомобилей, по своим характеристикам значительно превосходящие свои электронные аналоги. Сегодня волоконные гироскопы уже начинают внедрятся и в системы позиционирования робототехнических устройств.  

Книга представляет собой вводный курс в быстро развивающуюся и охватывающую новые сферы приложений область волоконно-оптических датчиков. В каждом из трех разделов - "Основные компоненты", "Технология" и "Приложения" - приводятся отдельные примеры основных достижений в этой области. Вместе они предоставляют инженерам, научным работникам, студентам старших курсов и аспирантам возможность составить полное впечатление о волоконно-оптических датчиках.
Книга может использоваться в качестве пособия при чтении учебных курсов, а также на промышленных семинарах по волоконно-оптическим датчикам.

Типы оптических волокон.

Использовать свет в качестве средства связи люди, по-видимому, начали с тех пор, как научились пользоваться огнем. В течение тысячелетий применялись сигнальные костры и дымовые сигналы. С изобретением зеркал для передачи сигналов на значительные расстояния в качестве источника света стало использоваться солнце. Люди, получавшие сообщения, надлежащим образом их истолковывали. Подобные методы совершенствовались и развивались столетиями. Хорошо известен видеотелефон Александра Грейама Белла, использовавшийся для передачи сообщений с помощью светового луча на расстояние окаю 200 м. Развитие подобных методов сдерживалось из-за отсутствия хороших источников света и надежных каналов передачи с низкими потерями. Ситуация полностью изменилась в 1962 году благодаря изобретению лазера. В свободном пространстве когерентный свет, испускаемый таким источником, может быть получен удаленным приемником, находящимся на расстоянии сотен тысяч километров. Отсутствие подходящей передающей среды тем не менее продолжало препятствовать развитию оптической связи, пока Капрон и др. не продемонстрировали, что затухание света в волокне из плавленого кварца настолько мало, что позволяет создавать протяженные линии связи. Используя длинные волокна толщиной с волос, можно прокладывать многокилометровые волоконные линии для передачи сигналов
с помощью модулированного лазерного излучения.

На рис. 2.2 показано, как свет передается по волокну. Рассмотрим пловца на дне водоема. Если он посмотрит на поверхность воды под достаточно малым углом, дно водоема полностью отразится на поверхности раздела вода-воздух. Примерно то же происходит внутри волокна; свет передается благодаря множеству внутренних отражений. Внутри волокна свет отражается от материала оптической оболочки, имеющей меньший коэффициент преломления, снова в сторону сердцевины. Таким образом, непрерывные внутренние отражения позволяют свету распространяться по ходу движения. Одновременное начало производства компаниями Corning Inc. и Bell Labs волокна с низкими потерями открыло дверь оптической связи и дешевым волоконно-оптическим датчикам, способным обеспечить высокую производительность.

Оглавление
Предисловие
Глава 1
Возникновение технологии волоконно-оптических датчиков
Глава 2
Оптоволокно
2.1. Введение
2.2. Типы оптических волокон
2.2.1. Закон преломления Снеллиуса (Снелля) и полное внутреннее отражение
2.2.2. Многомодовое оптоволокно со ступенчатым профилем (со ступенчато изменяющимся показателем преломления)
2.2.3. Одномодовое оптоволокно со ступенчатым профилем показателя преломления
2.2.4. Уширение импульса
2.2.5. Оптоволокно с градиентным профилем показателя преломления
2.2.6. Одномодовое волокно, сохраняющее поляризацию излучения
2.3. Технологии изготовления оптических волокон
2.3.1. Модифицированный метод химического осаждения из газовой фазы
2.3.2. Метод внешнего химического осаждения
2.3.3. Метод осевого осаждения (VAD)
2.3.4. Стеклянные стержни
2.3.5. Затухание в оптоволоконных волноводах
2.4. Использование свойств оптических волокон для создания датчиков
2.4.1. Изгиб
2.4.2. Связь на основе затухающих колебаний и построенный на этом принципе датчик
2.4.3. Направленные разветвители и их использование для построения датчиков
2.5. Резюме
Литература
Глава 3
Источники света
3.1. Введение
3.2. Фундаментальные свойства источников света
3.2.1. Спонтанное излучение
3.2.2. Вынужденное излучение
3.2.3. Сверхизлучение
3.3. Длина когерентности
3.4. Полупроводниковые источники света
3.4.1. Светоизлучающие диоды
3.4.2. Лазерные диоды
3.4.3. Сверхизлучающие диоды
3.4.4. Волоконно-оптические лазеры и усилители
3.5. Резюме
Литература
Глава 4
Приемники оптического излучения
4.1. Введение
4.2. Теоретические основы
4.2.1. Статистика регистрации оптического излучения
4.2.2. Основные принципы функционирования полупроводников
4.3. Полупроводниковые фотодиоды
4.4. Лавинные фотодиоды
4.5. Шум
4.5.1. Математические основы
4.5.2. Шум, обусловленный протеканием постоянных токов в детекторной цепи
4.5.3. Шум, обусловленный тепловыми эффектами
4.5.4. Отношение сигнал/шум
4.6. Регистрация спектра
4.7. Резюме
Литература
Глава 5
Оптические модуляторы для волоконно-оптических датчиков
5.1. Введение
5.2. Электрооптический эффект
5.3. Объемные модуляторы
5.3.1. Электрооптическая фазовая модуляция
5.3.2. Электрооптическая модуляция интенсивности
5.3.3. Объемный акустооптический сдвиг частоты
5.4. Интегрально-оптические модуляторы
5.4.1. Фазовая модуляция
5.4.2. Интерферометрическая модуляция интенсивности
5.4.3. Интегрально-оптические преобразователи частоты
5.5. Чистоволоконные оптические модуляторы
5.5.1. Фазовая модуляция
5.5.2. Смещение частоты
Литература
Глава 6
Датчики на основе измерения интенсивности и интерферометра Фабри-Перо
6.1. Датчики интенсивности
6.2. Датчики температуры с полупроводниковым чувствительным элементом
6.3. Энкодеры положения
6.4. Многомодовые датчики Фабри - Перо
6.4.1. История развития многомодовых датчиков Фабри - Перо
6.4.2. Принципы работы
6.4.3. Конструкция датчика
6.4.4. Методы считывания
6.5. Одномодовые датчики Фабри - Перо
6.5.1. Варианты считывающих устройств для одномодовых датчиков
Литература
Глава 7
Многомодовые дифракционные датчики
7.1. Введение
7.2. Теоретические основы
7.2.1. Оптические методы кодирования
7.3. Датчики, основанные на относительном движении находящихся одна напротив другой решеток
7.4. Датчики, основанные на модуляции периода решетки
7.5. Состояние разработки датчиков
7.6. Резюме
Литература
Глава 8
Многомодовые датчики поляризации
8.1. Введение
8.2. Теоретические основы
8.2.1. Феноменологическое описание поляризации и запаздывания
8.2.2. Сфера Пуанкаре
8.2.3. Формализмы Мюллера и Джонса
8.2.4. Запаздывание и специальные свойства полуволновой пластинки
8.2.5. Эффект фотоупругости
8.2.6. Оптическое подавление синфазного сигнала
8.2.7. Методы оптического кодирования
8.2.8. Разрешение и шум
8.3. Датчики на основе эффекта фотоупругости
8.4. Датчики на основе фазовых пластин
8.5. Состояние разработки датчиков
Литература
Глава 9
Волоконно-оптические датчики на основе интерферометра Саньяка и пассивного кольцевого резонатора
9.1. Введение
9.2. Краткий обзор оптических датчиков вращения и эффекта Саньяка
9.3. Кольцевой лазерный гироскоп
9.3.1. Решение проблемы блокировки
9.4. Гироскоп с пассивным кольцевым резонатором
9.5. Волоконно-оптический гироскоп
9.6. Компромисс между кольцевым лазером, пассивным кольцевым резонатором и волоконно-оптическим интерферометром при использовании их в качестве датчиков вращения
9.6.1. Возможности компоновки и производства
9.6.2. Вопросы надежности и приложения
9.7. Датчики параметров внешней среды, использующие интерферометр Саньяка
9.7.1. Быстро изменяющиеся явления внешней среды: обнаружения акустических колебаний
9.7.2. Акустический датчик на основе интерферометра Саньяка, использующий источник света в качестве усилителя
9.7.3. Конфигурации волоконно-оптической катушки
9.7.4. Модуляция фазы и поляризации
9.7.5. Механическое напряжение
9.7.6. Измерение длины волны
9.7.7. Выводы
Литература
Глава 10
Волоконно-оптические датчики на основе интерферометров Маха - Цендера и Майкельсона
10.1. Введение
10.2. Принцип работы
10.2.1. Двухлучевая интерферометрия
10.2.2. Демодуляция
10.2.3. Шум
10.2.4. Поляризация
10.3. Схемы волоконных интерферометров
10.4. Приложения
10.4.1. Динамические приложения
10.4.2. Статические приложения
10.5. Резюме
Литература
Глава 11
Распределенные и мультиплексированные волоконно-оптические датчики
11.1. Введение
11.2. Распределенные измерения
11.2.1. Оптическая дальнометрия в волоконных системах
11.2.2. Методы измерения обратного рэлеевского рассеяния
11.2.3. Измерение температуры на основе рамановского обратного рассеяния
11.2.4. Распределенные измерения на основе взаимодействия мод
11.2.5. Квазираспределенные датчики
11.3. Основные принципы мультиплексирования датчиков
11.3.1. Основные принципы телеметрии: сети
11.3.2. Сети датчиков интенсивности
11.4. Мультиплексирование интерферометрических датчиков
11.4.1. Методы интерферометрической демодуляции для объединенных с использованием мультиплексирования датчиков
11.4.2. Топология мультиплексирования интерферометрических датчиков
Литература
Глава 12
Волоконно-оптические датчики магнитного поля
12.1. Введение
12.2. Датчики на основе эффекта Фарадея
12.2.1. Эффект Фарадея в оптических волокнах
12.2.2. Шум
12.2.3. Структуры датчиков
12.3. Магнитострикционные датчики
12.3.1. Магнитострикция
12.3.2. Магнитострикционные преобразователи
12.3.3. Шум в магнитострикционных датчиках
12.3.4. Структуры датчиков
12.4. Датчики на основе силы Лоренца
Литература
Глава 13
Индустриальные приложения оптоволоконных датчиков
13.1. Введение
13.2. Основы
13.3. Измерение температуры
13.4. Измерение давления
13.5. Измерение уровня жидкости
13.6. Измерение скорости потока
13.7. Измерение положения
13.8. Измерение вибрации
13.9. Химический анализ
13.10. Измерение тока и напряжения
13.11. Важные замечания для индустриальных приложений
13.12. Резюме
Литература
Глава 14
Волоконно-оптические интеллектуальные структуры
14.1. Введение
14.2. Системы оптоволоконных датчиков
14.3. Приложения волоконно-оптических интеллектуальных структур и оболочек
14.4. Пример использования волоконно-оптического датчика в интеллектуальных структурах
14.5. Заключение
Литература
Дополнение А
Глава А.1
Сдвиг нуля
Глава А.2
Оптические элементы
Приложение
Литература
Дополнение Б
Литература.

Под волоконно-оптическим измерением температуры (английский вариант DTS = Distributed Temperature Sensing) понимают применение оптоэлектронных приборов для измерения температуры, при которой стеклянные волокна используются в качестве линейных датчиков. Типичными случаями применения линейных волоконных температурных датчиков являются сферы, связанные с безопасностью, например, системы пожарного оповещения в автомобильных, железнодорожных или сервисных туннелях; термический контроль силовых кабелей и воздушных линий передач для оптимизации производственных отношений; повышение эффективности нефтяных и газовых скважин; обеспечение безопасного рабочего состояния промышленных индукционных плавильных печей; контроль герметичности контейнеров с сжиженным природным газом на судах в разгрузочных терминалах; обнаружение утечек на плотинах и запрудах; контроль температуры при химических процессах; обнаружение утечек в трубопроводах.

Принцип работы оптоволоконного датчика

Физические воздействия на оптоволокно, такие как: температура, давление, сила натяжения - локально изменяют характеристики пропускания света и как следствие, приводят к изменению характеристик сигнала обратного отражения. В основе измерительных систем на основе оптоволоконных датчиков используется сравнение спектров и интенсивностей исходного лазерного излучения и излучения, рассеянного в обратном направлении, после прохождения по оптоволокну.

Обратное световое рассеяние при температурном воздействии

Оптические волокна изготовлены из легированного кварцевого стекла. Кварцевое стекло представляет собой разновидность двуокиси кремния (SiO2) с аморфной твердотельной структурой. Температурные воздействия инициируют вибрации в молекулярной решетке. Когда свет попадает на термически возбужденные молекулы, происходит взаимодействие между световыми частицами (фотонами) и электронами. Таким образом, в оптическом волокне происходит световое рассеяние, так же известное, как рамановское рассеяние.

Обратное световое рассеяние состоит из нескольких спектральных составляющих:
. Рэлеевское рассеяние, с длиной волны аналогичной, используемой в лазерном источнике;
. Стоксовы компоненты Рамановского рассеяния с длиной волны большей, чем у используемого лазерного источника, при которых испускаются фотоны;
. Антистоксовы компоненты Рамановского рассеяния с меньшей длиной волны, по сравнению с рэлеевским рассеянием, при которых фотоны поглощаются.

Интенсивность рассеяния так называемого антистоксова диапазона зависит от температуры, в то время как, стоксов диапазон от температуры практически не зависит. Локальная температура оптического волокна выводится из отношения антистоксовой и стоксовой интенсивностей света.

Бриллюэновские линии, которые более интенсивные чем Стоксовы, но имеют меньший спектральный сдвиг Этот спектральный сдвиг вызван акустическими колебаниями кристаллической решетки волокна и несет в себе информацию о механических напряжениях и температурах, воздействующих на волокно. Воздействие механических напряжений и температур приводит к изменению положения Бриллюэновской линии на шкале длин волн.

Датчики температуры на основе Рамановских линий

Самым современным оборудованием в системе мониторинга распределения температуры, например в трубопроводах, является распределенный оптоволоконный датчик температуры на основе Рамановских линий. Принципом работы датчика является то, что интенсивность Стоксовой Рамановской компоненты рассеянного излучения практически не зависит от температуры, а интенсивность Антистоксовой линии сильно связана с температурой. Это позволяет, определяя отношение интенсивности Антистоксовой линии и Стоксовой линии, определять значение температуры. Данный подход позволяет избавиться от погрешности, связанной с возможными флуктуациями мощности зондирующего лазерного импульса. Системы этого типа могут работать на расстояниях в несколько километров. Пространственное разрешение может достигать 0,5 м.

Метод измерения

Самым известным методом обратного рассеивания является метод OTDR (= Optical Time Domain Reflectometry = оптическая рефлектометрия временной области). В его основе заложен импульсно-акустический метод (импульсы и эхо), в результате разницы времени распространения между временем передачи и обнаружения световых импульсов можно определить уровень и место рассеивания. Соотношение излучаемого рассеивания света с эффектом Рамана, сигнал обратного рассеивания при измерении комбинационного рассеянного света составляет коэффициент 1000. Поэтому локально распределенный датчик температуры Рамана с техникой OTDR может быть реализован только с помощью мощных (дорогих) импульсных лазеров (обычно лазеров с твердым рабочим веществом) и быстрой, также дорогостоящей, техникой передачи сигналов.

Разработанный компанией «LIOS Technology GmbH» температурный датчик Рамана OFDR (OFDR, Optical Frequency Domain Reflectometry = рефлектометрия частотной области) работает не во временном диапазоне, как техника OTDR, а в частотном. При методе OFDR получают информацию о локальном изменении температуры, если сигнал обратного рассеивания, обнаруженный на протяжении всего времени измерения, измеряется как функция частоты и в комплексе (комплексная передаточная функция), а затем подвергается преобразованию Фурье. Существенными преимуществами техники OFDR являются режим квазинепрерывного излучения лазера и узкополосное обнаружение оптического сигнала обратного рассеивания, вследствие чего, достигается значительно более высокое отношение сигнал / шум, чем при использовании импульсной техники. Данное техническое преимущество позволяет использовать недорогие полупроводниковые лазерные диоды и недорогостоящие электронные блоки для передачи сигналов. Им противопоставляется технически сложное измерение комбинационного рассеиваемого света (комплексное измерение в соответствии с величиной и фазой) и высокая затратная часть из-за БПФ (блока преобразования Фурье), необходимого для обработки сигнала и с более высокими требованиями к линейности электронных блоков и компонентов.

Структура измерительной системы

Схематическая структура волоконно-оптической системы измерения температуры состоит из блока формирования сигнала с частотным генератором, лазера, оптического модуля, приемного блока и блока микропроцессора, а также световодного кабеля (кварцевое стеклянное волокно) в качестве линейного температурного датчика. В соответствии с методом OFDR интенсивность лазера в течение интервала времени измерения модулируются синусообразно, а частота — в виде линейной частотной модуляции. Отклонение частоты является прямой причиной для локального срабатывания рефлектометра. Частотномодулированный свет лазера направляется в световод. В любой точке вдоль волокна возникает комбинационный рассеянный свет, излучаемый во всех направлениях. Часть комбинационного рассеянного света движется в обратном направлении к блоку формирования сигнала. Затем выполняется спектральная фильтрация света обратного рассеивания, его преобразование в измерительных каналах в электрические сигналы, усиление и электронная обработка. Микропроцессор проводит расчет преобразования Фурье. В качестве промежуточного результата получают кривые комбинационного обратного рассеивания как функцию длины кабеля. Амплитуда кривых обратного рассеивания пропорциональна интенсивности соответствующего комбинационного рассеивания. Из отношения кривых обратного рассеивания получают температуру волокна вдоль световодного кабеля. Технические спецификации системы измерения температуры Рамана могут быть оптимизированы посредством настройки параметров прибора (дальность действия, локальное разрешение, точность температуры, время измерения). Возможна также регулировка световодного кабеля в соответствии с возможностями конкретного случая применения. Термическая стойкость стекловолоконного покрытия ограничивает максимальный диапазон температуры световодного кабеля. Стандартные волокна для передачи данных располагают акриловым покрытием или покрытием, затвердевшим в результате УФ (ультрафиолетового) излучения, и пригодны для диапазона температур до 80 °C. Стекловолокно с полиамидным покрытием может использоваться до максимальной температуры 400 °C.

Бриллюэновские системы (информация с сайта www.vodosfera.com)

Как отмечено ранее, спектральный сдвиг Бриллюэновской линии вызван акустическими колебаниями кристаллической решетки волокна и несет в себе информацию о механических напряжениях и температурах, воздействующих на оптоволокно. Созданные к настоящему времени алгоритмы обработки сигналов таких систем позволяют разделить информацию о температуре и о механических воздействиях.

Для Бриллюэновской системы мониторинга типичны следующие характеристики: расстояние, на которое может работать единичная система - 40 - 50 км при пространственном разрешении 1 - 2 метра.

К недостаткам Бриллюэновских систем мониторинга следует отнести сложность их устройства, которая обуславливает высокую стоимость. Преимуществом Бриллюэновских систем является возможность работы с сенсорными кабелями на основе обычного дешевого связного волокна. Время получения сигнала с таких систем составляет ориентировочно 1 - 2 минуты. При работе с более длинными линиями время измерений возрастает.

Для повышения чувствительности и значительного сокращения времени измерений используется метод, основанный на стимулированном Бриллюэновском рассеянии. Он отличается от систем на спонтанном рассеянии тем, что в волокно направляются одновременно непрерывное «пробное» лазерное излучение и мощный импульс накачки

Системы мониторинга на основе стимулированного Бриллюэновского рассеяния обеспечивают работу на расстояние порядка 50 км (возможны большие расстояния) с пространственным разрешением от 0,5 м. Минимальная частота получения измерительной информации может составлять значения порядка одного Герца.

Система термомониторинга кабельной линии с использованием оптоволоконного датчика

Материал предоставлен компанией «Инверсия-Сенсор»

Из-за своей большой стоимости и высокой технологической значимости аварийный выход из строя силовых высоковольтных кабельных линий является чрезвычайным происшествием, требующим срочного и дорогостоящего ремонта. Во многих случаях причиной аварийности кабельной линии являются локальные перегревы, которые могут быть вызваны повышением токовой нагрузки в линии, ухудшением условий охлаждения кабеля по длине, или же являются результатом возникновения некоторых дефектов в изоляции кабеля и муфт.

Своевременное выявление зон перегрева кабеля и муфт возможно при использовании систем температурного мониторинга с применением оптического волокна, интегрированного в конструкцию кабеля. Подобные системы измерения распределения температуры вдоль кабельной линии, проводимого с использованием эффекта рассеивания лазерного импульса в оптическом кабеле, называемого рамановским, сейчас интенсивно внедряются на практике.

Оптоволоконная система «ASTRO» отечественного производства (компания «Инверсия-Сенсор») предназначена для оперативного контроля профиля температуры высоковольтных кабельных линий в процессе эксплуатации.

Оптическое волокно, интегрировано в конструкцию кабельной линии и расположено, обычно, в зоне экрана, под внешней оболочкой. В него лазером периодически излучаются диагностические импульсы и при помощи измерительного прибора регистрируется обратный отраженный поток света.

При изменении параметров встроенного в кабель оптического волокна, возникающих под воздействием температуры, для каждого конкретного участка кабельной линии определяется величина локальной температуры.

Локальная температура на каждом конкретном участке кабельной линии рассчитывается с использованием разницы во времени между моментом времени получения отраженного от каждого участка импульса и моментом излучения лазерного импульса в оптическое волокно. Зная скорость распространения света в измерительном оптоволокне, можно с высокой точностью рассчитать место, которому соответствует спектр отраженного оптического сигнала.

Оперативное определение температурного профиля кабельной линии позволяет обслуживающему персоналу эффективно эксплуатировать линию, используя:

• Метод контроля температуры по оптическому рассеянию в отраженных сигналах, позволяет проводить оперативное измерение температурного профиля на кабелях, имеющих большие длины, до 16 км. Это дает возможность при помощи одного прибора контролировать протяженные объекты или несколько объектов сразу, включив их последовательно.
• Знание температурного профиля кабельной линии позволяет оптимизировать ее загрузку, рационально учитывать реальные климатические условия и локальные особенности пролегания всех участков кабельной линии.
• Поскольку оптоволоконной системой производится измерение температуры под оболочкой кабельной линии, в программном обеспечении мониторинга производится перерасчет на температуру токоведущей жилы кабеля, определяется переходный процесс нагрева при скачке нагрузки. Особенно важно это для определения технической возможности передачи по кабельной линии дополнительной мощности, с учетом наиболее нагретого участка кабеля.
• При помощи системы «ASTRO» можно определять места возникновения и оценивать степень развития дефектов, сопровождающихся локальным разогревом отдельных участков контролируемой кабельной линии.
• Можно оперативно проводить определение мест обрыва кабельной линии после возникновения фатальных дефектов или аварийных динамических воздействий на кабель.

Система температурного мониторинга кабельных линий конструктивно состоит из двух основных элементов - оптического волокна, проложенного вдоль кабельной линии, являющегося распределенным датчиком температуры, и измерительного прибора со средствами обработки и анализа первичной информации, установленного в защитном шкафу.

Если кабельная линия была изначально рассчитана на использование с системой температурного мониторинга, то оптическое волокно заранее устанавливается под оболочкой кабеля еще на этапе его изготовления.

Если же система температурного мониторинга устанавливается на уже эксплуатируемой кабельной линии, внутри которой отсутствует измерительное оптическое волокно, то тогда оно прокладывается снаружи и фиксируется максимально близко к контролируемому кабелю. Наружный способ прокладки оптического волокна-датчика температуры менее предпочтителен, так как имеет существенно меньшую точность и более подвержен влиянию внешних температурных воздействий.

Шкаф системы температурного мониторинга кабельной линии включает в себя непосредственно измерительный прибор марки «ASTRO», промышленный компьютер со специализированным программным обеспечением для обработки информации, оценки состояния и прогнозирования возможного увеличения нагрузки кабельной линии. Также в шкафу монтируется источник бесперебойного питания и все необходимые технические средства для коммуникации с верхним уровнем АСУ-ТП.

Климатическое исполнение защитного шкафа системы мониторинга определяется параметрами технического задания на создание системы. Сам шкаф может быть установлен рядом с концевой муфтой контролируемой кабельной линии или располагаться на удалении до нескольких километров, в зависимости от длины линии. При наружной установке шкаф снабжается системой внутреннего температурного кондиционирования.

Система температурного мониторинга высоковольтной кабельной линии марки «ASTRO» работает полностью в автоматическом режиме, в соответствии с внутренними расчетными и экспертными алгоритмами и заданными локальными настройками для каждого объекта контроля.

Информация о текущем температурном режиме работы контролируемой кабельной линии и результаты проведения экспертной диагностики постоянно отображаются на экране встроенного промышленного компьютера. Полная информация о состоянии линии передается в систему АСУ-ТП более высокого уровня по оптическому волокну с использованием стандартного протокола МЭК 61850.

Технические параметры системы «ASTRO»