Глава 6. Физические основы оптоволоконных измерительных устройств

Свет исторически изначально был одним из основных методов передачи информации и мог осуществляться различными способами (отраженным солнечным светом, факелами, кострами, лампами и т.п.). В конце 6 века до н. э. Ахилл записал, что новости о падении Трои были переданы из Малой Азии в Аргос чередой огненных сигналов. Во 2 веке до н.э. Полибий описал метод, которым буквы греческого алфавита могли передаваться огненными сигналами посредством двузначного пятиуровнего кода. В 1870 году Джон Тиндаль продемонстрировал, что свет может распространяться вдоль изогнутой струи воды, а позже Бэрд получил патент на распространение света в стеклянных стержнях. В 1950 году были разработаны волоконно–оптические устройства для контролирующих устройств. В 1966 году Чарльз Као и Джордж Хокман предложили принцип передачи информации через прозрачный диэлектрик. Последовавшее за этим развитие технологии высококачественных оптических волокон привело к их теперешнему широчайшему применению в телекоммуникационных сетях.  

Недавним достижением по увеличению информационной емкости без прокладки дополнительных кабелей является использование света различных длин волн (до 100) в одном волокне (плотное мультиплексирование по длинам волн) при скорости передачи 10 Гбит в секунду на дальность до 100 км. Например, в сотовой связи оптические волокна используются для межузловых соединений. Использование мобильных телефонов для передачи видеоизображений увеличивает спрос на повышение передающей способности каналов связи.

Работа волноводов основана на принципе внутренних отражений (свет распространяется по волокну за счет полного внутреннего отражения). В результате чего свет с помощью световодов может распространяться по сложной траектории, что позволяет использовать оптические волокна для переноса световой энергии в недоступные зоны.

Для работы в видимом и ближнем ИК-диапазонах спектра волноводы, как правило, изготавливают из стекла. Для средних и дальних ИК-областей применяются волноводы в виде полых трубок с сильно отражающими внутренними поверхностями. Пластиковые волокна изготавливаются из полиметилметакрилата, и их можно изгибать по гораздо меньшему радиусу, чем стеклянные волокна.

Первые патенты на оптические волоконные сенсоры появились в середине 60-х годов. С тех пор наблюдается их значительное развитие от простых устройств до современных сложных и высокотехнологичных систем. Применение оптических волокон в телекоммуникационных линиях стимулировало их использование для телеметрии в некоторых отраслях промышленности. В химических, ядерных, нефтехимических и других производственных процессах их начали использовать для управления, контроля и сбора данных в основном благодаря таким преимуществам, как:

· относительно низкая стоимость:

· безопасность, устойчивость и надежность;

· малые эксплуатационные расходы;

· нечувствительность к электромагнитным помехам и возмущениям;

· химическая инертность;

· отсутствие электромагнитной передачи;

· термостойкость;

· широкая полоса рабочих частот.

Такие отрасли, как робототехника, электроэнергетика, автомобилестроение, авиация, медицина заинтересованы в оптоволоконных сенсорах.

Область применения оптических волокон в измерительных системах можно разбить на три группы:

· световоды для освещения при дистанционном наблюдении и в труднодоступных местах;

· системы обзора, экраны, увеличители;

· датчики, использующие оптическое волокно и дополнительные компоненты в качестве чувствительного элемента первичного преобразователя.

Наибольшее внимание для использования в промышленных измерениях (температура, скорость потока, давление, смещение и т.п.) в настоящее время привлекает идея включения в единую систему оптического волоконного сенсора и линии передачи информации. Так как промышленность весьма консервативна и поэтому маловероятно быстрое внедрение сложных и дорогих измерительных устройств. Суровые условия производственных процессов могут сделать чувствительные к внешним воздействиям высокочувствительные измерительные устройства непрактичными. Скорее всего, эта технология будет развиваться путем внедрения простых сенсорных систем, которые относительно дешевы и надежны. Для многосенсорных систем будет использоваться, например, радиальная сеть.

Телеметрия, основанная на металлических проволочных парах, хотя и является сегодня гораздо более распространенной технологией, но сталкивается с растущим вызовом со стороны оптических систем.

Распространение оптических волн в световодах можно рассматривать, исходя из общих принципов создания направленного потока электромагнитной энергии. В отличие от волн оптического диапазона распространение по линиям передачи электромагнитных волн радиочастотного диапазона характеризуется следующими особенностями:

· геометрические размеры линий передачи в направлении распространения электромагнитной энергии соизмеримы с длиной волны, тогда как поперечные размеры (размеры проводников и расстояния между проводами) были существенно меньше длины волны;

· распространение электромагнитной энергии в режиме бегущей волны в идеальной линии передач (без потерь) было таким же, как и распространение в свободном пространстве с сохранением поперечной структуры колебаний электрических (ТЕ структуры) и магнитных полей (ТМ структуры).       

 

⇐ Предыдущая30313233343536373839Следующая ⇒

Поделиться: