Волоконно-оптический измерительный тракт

Проанализировав существующие образцы техники и их недостатки, было принято решение о разработке волоконно-оптического измерительного тракта (ВОИТ) со следующими характеристиками:

1. Полоса пропускания от 50 Гц до 1 МГц;

Верхняя граница полосы пропускания сигнала выбрана 1 МГц, в силу того что разработка прибора с верхним порогом в десятки мегагерц для фиксации частичных разрядов значительно более сложная задача выходящая за рамки магистерской диссертации, однако получив практический опыт в дальнейшем ВОИТ можно подвергнуть модернизации и увеличить диапазон его рабочих частот.

2. Защита передаваемого сигнала от наведенных помех;

Необходимо для получения качественного сигнала в условиях сложной электромагнитной обстановки на объектах электроэнергетики.

3. Обеспечение гальванической развязки;

Позволяет осуществлять измерения с датчиков находящихся под высоким потенциалом, защитить дорогостоящую измерительную аппаратуру от перенапряжений, а персонал от поражения электрическим током.

4. Возможность автономной работы.

Необходимо для проведения измерений на высоком потенциале, а также для защиты от помех из питающей сети.

5. Оптоволоконный канал передачи сигнала

Оптоволокно имеет широкую полосу пропускания сигнала от 0 до 50 и более ГГц/км, что удовлетворяет озвученным требованиям, минимально подвержено воздействию электромагнитного и электростатического поля, вдобавок является диэлектриком (основной его компонент кремний). Эти параметры позволяют многократно снизить помехи и одновременно осуществить гальваническую развязку.

Принципиальная схема волоконно-оптического измерительного тракта приведена на Рис. 2.8.

Рис. 2.8 Схема применения волоконно-оптического измерительного тракта

1 – первичный датчик, 2 – передатчик, 3 – ВОЛС, 4 – приёмник, 5 – регистрирующий прибор

Выбор оптоволокна

Оптическое волокно — нить из оптически прозрачного материала (стекло, пластик), используемая для переноса света внутри себя посредством полного внутреннего отражения.

В основе построения волоконных оптических линий положен принцип передачи по волокну световых волн на большие расстояния. При этом электрические сигналы, поступают на вход оптического передатчика, и далее преобразуются в световые импульсы, которые с минимальными искажениями передаются по оптоволокну.

Конструкция отдельно взятого оптического волокна достаточно проста. Сердечник из оптически более плотного материала окружен оболочкой с меньшим коэффициентом преломления и все это покрыто защитной оболочкой (Рис.2.9). Оптическое волокно - типичный диэлектрический волновод электромагнитных волн.

Рис. 2.9 Конструкция оптического волокна

Когда поток света пересекает границу раздела двух сред с показателями преломления n1 и n2 то, как известно, наблюдаются два явления: преломление и отражение. Если световой поток пересекает границу раздела со стороны оптически более плотной среды, то угол преломления больше угла падения. С ростом угла падения преломленный луч будет прижиматься к границе раздела. И, наконец, при определенном угле падения, называемом критическим, преломленный луч начнет скользить вдоль поверхности раздела. При углах падения, больших критического, преломленный световой поток отсутствует (в идеализированном случае), поверхность раздела приобретает свойства зеркала - вся переносимая лучом энергия остается в отраженном потоке. Это явление носит название полного внутреннего отражения (Рис.2.10). На эффекте полного внутреннего отражения построены все оптические волокна. Условно оптическим волокном называют световоды, диаметр которых менее 0.5 мм.

Рис. 2.10 Явление полного внутреннего отражения

 Традиционные проводные линии, коаксиальные кабели, СВЧ волноводы - все они требуют дорогих и дефицитных материалов, по меньшей мере, меди. Для изготовления стекловолокна нужны окислы кремния - самые распространенные на Земле вещества. Волокна из прозрачных пластиков также почти не нуждаются в редких материалах. Таким образом, источники сырья для производства световолокон практически не ограничены. К этому следует добавить, что по диаметру оптические кабели существенно меньше металлических. Материалы оптических кабелей не подвержены коррозии и экологически безопасны.

Волоконно-оптические кабели не восприимчивы к помехам со стороны электромагнитных полей радиодиапазонов, и сами не создают таких помех. Поэтому в плане электромагнитной совместимости - это идеальные средства передачи информации. Столь же совершенны они и по электробезопасности, поскольку переносимые в них мощности очень малы.

Для того чтобы передать свет на некоторое расстояние необходимо сохранить его мощность. Снизить потери при его передаче можно, во-первых, обеспечив достаточно оптически прозрачную среду распространения, тем самым, сведя к минимуму поглощение волны, и, во-вторых, обеспечить правильную траекторию движения луча. Первая задача в настоящее время решается с помощью применения высокотехнологичных материалов, таких как чистое кварцевое стекло. Вторая задача решается с помощью закона оптики, описанного выше.

И сердцевина, и оболочка изготавливаются из стекла или пластика. Наиболее часто (вследствие лучших характеристик) используется оптоволокно типа " стекло-стекло", когда сердцевина и оболочка изготавливаются из особого кварцевого стекла. Понятно, что стекло, используемое для оболочки, должно иметь меньший показатель преломления, чем для сердцевины. Показатель преломления стекла регулируется с помощью легирующих добавок. В оптических волокнах различие показателей преломления сердцевины и оболочки достигает порядка 1%.

Затухание в световоде, то есть потеря мощности светового сигнала происходит, в основном, по двум причинам: поглощение и рассеивание.

Поглощение связано с возбуждением в материале световода электронных переходов и резонансов. В результате этого увеличивается тепловая энергия, накапливаемая в оптическом волокне. Поглощение зависит как от свойств материала, из которого изготавливается оптоволокно, так и от длины волны источника света.

Рассеивание меньше зависит от свойств материала и, в основном, определяется нарушением геометрической формы оптического волокна. Следствием этих нарушений является то, что часть лучей покидает оптоволокно. Интенсивность рассеивания зависит не только от качества материала, из которого изготавливается сердцевина волокна, но и от качества оболочки, так как часть сигнала, вопреки геометрической оптики, распространяется в ней (это явление связано с квантовой природой света). Бороться с этим можно за счет нанесения на оболочку поглощающего покрытия.

Основное применение оптические волокна находят в качестве среды передачи на волоконно-оптических телекоммуникационных сетях различных уровней: от межконтинентальных магистралей до домашних компьютерных сетей. Применение оптических волокон позволяет оперировать с чрезвычайно высокими скоростями передачи, измеряемыми терабитами в секунду.

При построении оптических систем используют. Понятие " мода" описывает режим распространения световых лучей во внутреннем сердечнике кабеля. Многомодовое и одномодовое оптоволокно отличаются друг от друга зависимостью коэффициента преломления от радиуса центрального волокна. На Рис. 2.11 показаны три разновидности волокна.

Рис. 2.11 Разновидности оптических волокон: а) многомодовое ступенчатое волокно;
б) многомодовое градиентное волокно; в) одномодовое волокно

Многомодовое оптоволокно 50/125 нм и 62, 5/125 нм позволяет передавать одновременно несколько сотен разрешенных световых мод, вводимых в оптоволокно под разными углами. Все разрешенные моды имеют разные траектории распространения и, соответственно, различное время распространения по оптическому волокну. Поэтому многомодовое оптоволокно имеет один главный недостаток — большоезначение модовой дисперсии, ограничивающая полосу пропускания, — из-за которого оптический передатчик имеет малую дальность передачи. С помощью многомодового оптоволокна в волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС) осуществляется передача данных на расстояние не более 4–5 км.

Для уменьшения модовой дисперсии и сохранения высокой полосы пропуская, на практике применяют волоконно-оптические линии с градиентным профилем показателя преломления сердцевины кабеля. В отличие от стандартных многомодовых оптических волокон, имеющих постоянный профиль преломления материала ядра, такое оптоволокно имеет показатель преломления N, который плавно уменьшается от центра к оболочке.

Одномодовое оптическое волокно 9/125 нм сконструировано таким образом, что в ядре оптоволокна может распространяться только одна, основная мода. Именно поэтому такие оптические волокна имеют наилучшие характеристики, и наиболее активно используются при строительстве ВОЛС. Основные преимущества одномодовых оптических волокон — малое затухание 0, 25 db/км, минимальное значение модовой дисперсии и широкая полоса пропускания — благодаря которым обеспечивается бесперебойная передача по оптоволокну электрических сигналов [11].

Поглощение света в волокне происходит по нескольким причинам. Поглощение в собственно стекле волокна падает с частотой, в то время как потери из-за рассеяния на дефектах стекла (релеевское рассеяние) с увеличением частоты растет. При сгибании волокна поглощение увеличивается. По этой причине следует избегать малых радиусов изгиба (кроме всего прочего это может привести и к обрыву). В результате потери света в волокне обычно лежат в диапазоне (2-5) дБ/км для длин волн 0, 8 – 1, 8 m. Зависимость поглощения света в волокне от длины волны показана на Рис. 2.12.К используемым диапазонам относятся 850 нм, 1300 нм, 1500 нм. Все эти диапазоны имеют ширину 25000-30000 ГГц.

Рис. 2.12 Зависимость поглощения света в волокне от длины волны

Из рисунка видно, что минимумы поглощения приходятся на 1300 и ~1500 нм, что и используется для целей телекоммуникаций. При длине волны 1300 нм дисперсия скоростей распространения различных длин волн минимальна. Диапазон ~850 нм характеризуется высоким поглощением, но он привлекателен тем, что как лазеры, так и электроника могут быть изготовлены из одного материала (арсенида галлия).

Рис. 2.13 Зависимость дисперсии от длины волны

Из Рис. 2.13видно, что в области ниже 1300 нм более длинные волны движутся быстрее коротких. Для длин волн > 1300нм имеет место обратная ситуация – более длинные волны движутся медленнее коротких. Для одномодовых волокон определяющий вклад в искажения вносится дисперсией скоростей распространения, для многомодовых основной вклад вносит модовая дисперсия. В таблице 2.1 представлены основные характеристики оптических волокон [12].

 

Таблица 2.1

Характеристики оптических волокон

Тип волокна	Диаметр сердцевины [мкм]	Диаметр оболочки [мкм]	Уровень затухания [дБ/км]
Длина волны[нм]			850	1310	1550
Одномодовое	9, 3 8, 1	125 125		0, 4 0, 5	0, 3 0, 25
Многомодовое градиентное	50 62, 5 85	125 125 125	2, 4 3, 0 2, 8	0, 6 0, 7 0, 7	0, 5 0, 3 0, 4
Многомодовое ступенчатое	200	380	6, 0

 

Проанализировав характеристики различных типов оптического волокна: уровень затухания, стоимость и доступность на рынке. В качестве канала передачи сигнала для волоконно-оптического измерительного тракта было выбрано одномодовое оптическое волокно 9/125 нм с коннекторами типа ST, обеспечивающими быстрое и прочное соединение (Рис.2.14).

Рис. 2.14 Шнур волоконно-оптический, ST-ST, 9/125 нм

⇐ Предыдущая123456789Следующая ⇒

Поделиться: