Разновидности волоконно-оптических датчиков и области их применения

Волоконно-оптические датчики могут быть основаны на реализации внешних и внутренних эффектов. Датчики внешнего типа имеют внешнюю насадку, присоединенную к волокну, которая изменяет свои свойства в процессе измерений. Волокно при этом служит лишь линией передачи измерительной информации. Это, например, датчики перемещения, давления, усилий, температуры и т. п. Для прерывания светового луча используют оптические затворы, решетки Муара, перемещающихся сферических линз, изменение расстояния между волокнами. Датчики отражательного типа создают с использованием трехволоконной конфигурации для реализации дифференциального принципа измерения, с использованием позиционно – кодирующих устройств, на основе реализации эффекта поглощения света контролируемой средой и др.

Оптоволоконные датчики с использованием внутренних эффектов обладают рядом преимуществ: имеют большее разнообразие конструктивных исполнений, более широкий динамический диапазон, более высокую чувствительность низкую инерционность. К их недостаткам можно отнести: сложность процесса измерительного и функционального преобразования; повышенные требования к точности и стабильности параметров и характеристик; повышенную чувствительность к влиянию дестабилизирующих факторов.

В датчиках такого типа реализуют различные явления и эффекты:

· ослабление;

· фазовый сдвиг;

· вращение плоскости поляризации;

· рассеяние оптического луча и др.

В датчиках, предназначенных для измерения механических, магнитных и электрических величин используют:

· микродеформации волокна в функции измеряемого усилия;

· изменение оптической длины пути луча для создания интерферометров;

· эффект Саньяка – для создания гироскопов;

· поляризацию света и поглощение одной из компонент поляризованного света;

· магнитооптический эффект Фарадея;

· эффект Керра (взаимодействие оптического излучения с электрическим полем);

· фотоупругий эффект и др.

Одним из главных достоинств оптоволоконных датчиков является то, что им можно придать практически любую геометрическую форму, диктуемую условиями применения. Их широко применяют в миниатюрных оптических датчиках, измеряющих давление, температуру, концентрацию растворов и т.д. Почти все датчики данного типа построены на модуляции одной или нескольких характеристик света в оптоволокне при изменении внешних воздействий с последующей оптической демодуляцией сигнала обычными методами. Внешние сигналы могут либо непосредственно влиять на волокно, либо воздействовать на компоненты, соединенные с его наружной поверхностью или его отполированными концами. Цель таких воздействий – получение оптически детектируемых сигналов.

Для получения химического датчика к оптическому волокну может присоединяться специальная ячейка с реагентом, вступающим в реакцию с исследуемым веществом. В результате этого изменяются оптические свойства волокна, например, происходит модуляция коэффициента преломления или коэффициента поглощения. Плакировка оптоволокна может быть изготовлена из химических веществ, коэффициент преломления которых меняется в присутствии некоторых жидкостей. При изменении полного внутреннего отражения оптоволокна интенсивность света снижается.

Оптоволокна могут использоваться двумя способами. В первом случае для передачи сигнала возбуждения и для приема ответного оптического сигнала используется один и тот же световой канал. Во втором – функции возбуждения (освещения) и сбора информации разделены, для чего применяются два и более независимых канала.

В большинстве оптоволоконных датчиков определяется интенсивность света, модулированная внешними сигналами. Например, в датчике перемещений (рисунок 6.11) оптоволоконный волновод передает свет в сторону отражающей поверхности. Свет выходит из волокна в форме конуса, направленного к отражателю. Чем ближе отражающая поверхность расположена к концу волокна, тем больше фотонов света возвращается назад в детектор. По величине интенсивности отраженного света можно судить о перемещении объекта.

Рисунок 6.11 Одноволоконный (А) и двухволоконный (Б) оптические датчики

В датчике изгибных деформаций (рисунок 6.12), состоящего из оптоволокна, зажатого между двумя деформирующими устройствами внешняя сила изменяет положение внутренней отражающей поверхности волокна. Поэтому в нагруженном состоянии луч света меняет свое направление и выходит через стенку волокна. Таким образом, по степени снижения уровня интенсивности выходящего из волокна излучения можно судить об измеряемом усилии.

Рисунок 6.12 Оптоволоконный датчик перемещений и усилий, использующий модуляцию интенсивности проходящего света

В тепловом спектральном диапазоне, характеризующемся значительными потерями в оптоволокнах, в качестве световодов используют полые трубки (рисунок 6.13 ). Внутренняя поверхность таких световодов тщательно полируется и покрывается отражающим слоем металла.

Рисунок 6.13 Полая трубка, с отражающим внутренним покрытием

Потери в полых волноводах зависят от количества отражений: чем меньше диаметр и длиннее трубка, тем больше в ней потери. Полый волновод становится неэффективным при отношении его длины к диаметру, превышающему значение 20.

Оптоволоконные датчики внешнего типа имеют какую-либо внешнюю насадку, присоединенную к волокну, которая изменяет свои свойства в процессе измерений. При этом волокно само по себе не участвует в процессе измерения, а служит лишь линией передачи измерительного сигнала.

Простой оптический переключатель можно сделать с помощью затвора для прерывания светового луча (рисунок 6.14). Для точного позиционирования используют решетку муаровых полос. Решетка Муара перемещается поперек зазора между торцами волокон и подсчитывается число полос решетки.

Рисунок 6.14 Оптоволоконный датчик перемещения с использованием решетки Муара

Для перемещения светового пучка поперек сечения волокна может быть использована сферическая линза (рисунок 6.15). Принятая волокном интенсивность меняется в зависимости от перемещения линзы. Используя два приемных волокна, получают дифференциальный тип датчика перемещений.

Рисунок 6.15 Оптоволоконный дифференциальный датчик перемещения

Принцип работы датчика микроперемещений, представленного на рисунке 6.16 основан на зависимости интенсивности проходящего светового сигнала от расстояния между волокнами.

Рисунок 6.16 Оптоволоконный датчик микроперемещений

Используя данный принцип формирования выходного сигнала преобразователя, создают более сложные конструкции датчиков, в которых интенсивность проходящего света линейно зависит от измеряемого перемещения. Разработана модификация датчика давления с использованием нескольких волокон. На их основе с использованием кодирующего устройства создают высокоточные датчики линейного и углового перемещения. Разработаны и мультиплексные системы, имеющие только одну приемо-передающую пару волокон. Мультиплицирование реализуется путем применения источника белого света, дифракционных решеток и призм.

Альтернативой частотному является временное мультиплицирование. В этом случае в системе распространяются короткие импульсы монохроматического света. Все приемные волокна отличаются друг от друга по длине, и, таким образом, создается временная задержка между принятыми информационными импульсами. Длине оптического волокна 0,2м соответствует временная задержка около 1 нс. Каждое волокно должно быть по крайней настолько длиннее соседнего, чтобы обеспечить уверенное разделение импульсов в тракте передачи данных. Недостатки таких методов измерения заключаются в том, что технология мультиплицирования по длинам волн требует высокоточного технического исполнения, в то время как временное мультиплицирование нуждается в сложной быстродействующей электронной схемотехнике.

Изготавливают датчики на основе использования процессов поглощения света. На рисунке 6.17 приведена конструкция преобразователя поглощения с диффузным отражателем. Принцип работы устройства основан на изменении цвета мембраны, абсорбирующей определенный тип реагента.

Рисунок 6.17 Конструкция оптоволоконного преобразователя поглощения с диффузным отражателем

Были разработаны разнообразные типы датчиков, содержащие несколько реагентов, для выявления специфических веществ в ходе двух и более химических реакций.

Принцип действия обобщенного волоконно-оптического датчика состоит в следующем.

1. Оптическое излучение от источника проходит через передающий оптический канал на чувствительный элемент (ЧЭ), находящийся под воздействием измеряемой величины.

2. В результате физического воздействия оптические свойства ЧЭ изменяются, что в свою очередь приводит к изменению параметров оптического излучения.

3. Преобразованное оптическое излучение через приемный оптический канал поступает на регистрирующее устройство.

По принципу действия все волоконно-оптические датчики физических величин делятся на четыре класса в соответствии с тем, какой из параметров оптической волны распространяющейся по волокну, используется для получения информации об измеряемом физическом воздействии:

· амплитуда электрического поля;

· фаза электромагнитной волны;

· состояние или направление поляризации электрического вектора р;

· частота излучения.

ВОП широко используются в производстве, в частности при различных контролях. Особенностью технологического контроля в автоматизированных производствах является то, что методы статистического контроля, используемого в крупносерийном производстве, становятся малопригодны ми. Хотя с точки зрения качества производимая в автоматизированных ячейках продукция отличается постоянством характеристик, в условиях безлюдной технологии требуется непрерывный контроль состояния оборудования, технологической оснастки и инструмента. При мелкосерийном производстве контроль качества изделий должен осуществляться оперативно в процессе изготовления, т.е. требуется активный контроль качества.

Другой особенностью контроля в производстве можно считать повышенные требования к информационной надежности средств контроля, которые должны сохранять метрологические характеристики в течение всего периода между профилактическими остановками оборудования.

И, наконец, немаловажным фактором является стоимость контрольно-измерительных систем. При большом числе первичных преобразователей различных физических величин с сопутствующими средствами первичной обработки информации, аппаратным и программным обеспечением стоимость контроля может оказывать существенное влияние на общую стоимость изделий, что снижает экономическую эффективность производства.

Волоконно-оптические преобразователи, имеющие простую конструкцию и низкую стоимость, а в сочетании с высокой помехозащищенностью и надежностью, возможностью многофункционального применения в значительной степени удовлетворяют требованиям, предъявляемым к устройствам контроля.

Хотя большинство практических решений, связанных с использованием ВОП, находится на стадии исследований, ряд приводимых ниже примеров реализации устройств контроля показывает перспективность их широкого внедрения в производства. Наибольший объем исследований, связанных с применением ВОП в автоматизированных системах, направлен на создание устройств размерного контроля при механообработке, определения степени износа инструмента, а также сенсорных устройств, промышленных роботов.

Контроль состояния обрабатывающего инструмента. Одной из причин возникновения брака при механообработке является размерный износ, разрушение или биение обрабатывающего инструмента. При появлении размерного износа системы контроля должны давать либо информацию об адаптации по степени износа, либо команду о замене инструмента.

        

Рисунок 6.18  Устройство контроля облома сверла и устройство для определения проскальзывания в схвате робота

Аналогичное устройство с каналами на единичных волокнах было использовано для регистрации момента облома сверла 2. В момент облома поток излучения начинает проходить к фотоприемнику 3, вызывая скачкообразное изменение тока.

Контроль положения и усилий захвата в схвате робота необходим для определения наличия контакта между "рукой" робота и манипулируемым предметом или силы, с которой пальцы робота удерживают предмет. При установлении контакта схвата с деталью и манипулировании последней требуется регулировка усилия захвата для того, чтобы избежать выскальзывания объекта манипулирования и не допускать его деформации и разрушения.

Контроль чистоты обработки поверхности. Исследование возможности применения ВОП для автоматизированного контроля качества обработки поверхности обусловлено необходимостью обеспечения бесконтактных измерений. Для большинства видов обработки выходной сигнал ВОП и средняя высота микронеровностей Ra связаны близкой к экспоненциальной зависимостью. Наибольшая чувствительность к изменению высоты микронеровностей наблюдается при расстоянии между общим торцом световода и отражающей поверхностью, соответствующей максимуму функции преобразования ВОП аксиальных перемещений, причем экспоненциальный вид зависимости тока фотоприемника от Ra сохраняется для различных обрабатываемых металлов.

При производстве изделий микроэлектроники наряду с бесконтактным измерением параметров вибрации и удара ВОП применяют в операциях сборки и контроля геометрических параметров, в извлечении заготовок, определении положения носителей и керамических оснований для сборки микросхем.

Весьма характерен пример использования волоконно-оптического зонда при определении внутренних напряжений в кремниевой подложке, являющейся основой для производства интегральных схем. Так как внутренние напряжения приводят к максимальному изменению толщины кремниевой пластины, то определение участков с увеличенными внутренними напряжениями может привести к нарушению внутренних связей в топологии микросхемы. Для контроля внутренних напряжений предложено использовать рефлектометрический ВОП, установленный в точке перегиба функции преобразования аксиальных перемещений. Кремниевая полированная пластина прижимается к плоскости предметного стола избыточным атмосферным давлением. Горизонтальное перемещение поверхности пластины под неподвижным торцом ВОП дает распределение толщины с точностью 1 мкм, что позволяет выявить участки с увеличенным внутренним напряжением. Ортогональное перемещение стола осуществляется с помощью электродвигателей.

Одним из наиболее полезных измеряемых параметров является перемещение, которое относительно просто вызывается различными физическими эффектами.

ВОП с управляемыми световодами с переменной площадью оптического контакта позволяют обеспечить измерение уровня жидких сред как в аналоговом, так и в дискретном режимах. Кроме того, такая схема позволяет создавать на ее основе не только уровнемеры, но и измерители объема жидкости с линейным выходом для емкостей с переменным сечением по вертикали.

Также ВОП могут использоваться для управления функционированием ряда систем управления и контроля при помощи магнитного поля, в качестве датчиков температуры, давления, угловых и линейных перемещений и т. д.

Использование традиционных электрических датчиков в составе ИИС с волоконно-оптическими каналами требует подвода к ним энергии питания по дополнительной электрической проводной линии. А также наличия преобразователя неоптического информационного сигнала такого датчика в оптический и устройств согласования с волоконно-оптическим каналом.

Все это с учетом погрешностей самих электрических датчиков снижает уровень помехозащищенности и точность ИИС, повышает их размеры и массу. Кроме того, в очень многих промышленных применениях использование электрических датчиков ограничено допустимыми условиями эксплуатации. Поэтому для ИИС во многих случаях предпочтительно использовать пассивные датчики, использующие в своей работе сигналы той же природы, что и волоконные световоды.

Так, имеется большая потребность в пассивных датчиках давления, уровня жидкости, перемещения, температуры и т. д., пригодных для работы в условиях взрывоопасности, высокой радиации, высоких и низких температур, агрессивных сред и т. п. (таблица 6.3).

Таблица 6.3

Условия эксплуатации	Области использования	Регистрируемый параметр
Взрывоопасность	Газовая, нефтяная, химическаяпромышленность, заправочные баки	Давление, уровень жидкости, поток, температура
Высокая радиация	Атомная энергетика, медицина	Давление, температура
Сильные электромагнитные помехи	Электростанции, энергоустановки	Напряжение, ток, вибрация, вращение
Высокие температуры	Энергоустановки, двигатели, турбины	Перемещение, давление, вибрация, вращение
Необнаружимость	Специальная техника	Перемещение, давление, температура, вибрация

 

Решение проблемы датчиков для таких условий эксплуатации и применений может быть достигнуто на основе использования оптических и волоконно-оптических элементов, являющихся также составными элементами фотоприемных устройств. Без их использования было бы немыслимо создание важнейших систем и устройств как гражданской, так и оборонной техники. Кино- и фототехника, волоконно-оптические линии связи и дальнометрия, лазерная локация и лазерная передача информации, системы тепловидения и прицеливания, разведка природных ресурсов и астрофизические исследования, диагностика плазмы и ранних этапов заболеваний человека, анализ загрязнений окружающей среды и многие другие области техники не могут успешно развиваться без применения различных типов современных фоточувствительных устройств.

 

Протяженные волоконно-оптические датчики (ВОД)

Любой ВОД – это устройство, содержащее оптическое волокно и преобразующее изменение внешнего физического поля в изменение параметров оптического излучения (амплитуды, фазы, частоты, поляризации), распространяющегося по этому оптическому волокну. Конструкция оптического волокна представлена на рисунке 6.19.

Рисунок 6.19 Устройство ВОД

Оптическое волокно содержит: кварцевую оболочку, покрытую специальным лаком, и световедущую сердцевину. Основной физический принцип волоконной оптики – полное внутреннее отражение света при падении из оптически более плотной среды (световедущей сердцевины) в оптически менее плотную. Оптическую плотность характеризует показатель преломления n, который показывает отношение скорости света в вакууме к скорости света в среде с показателем n.

Если диаметр световедущей сердцевины в десятки раз превышает длину волны света в вакууме, то такое волокно называется многомодовым. В приближении геометрической оптики возможны различные пути распространения света в многомодовом волокне. Каждый реализованный вариант распространения называется модой. В зависимости от частоты световой волны и диаметра световедущей сердцевины возможное количество мод в оптическом волокне может меняться от одной до нескольких тысяч.Диаметр световедущей сердцевины одномодового волокна допускает распространение только одной моды.

Одна из основных характеристик света – когерентность, с которой связано понятие интерференции. Излучение когерентно (от лат. cohaerens – находящийся в связи), когда отдельные части световой волны "помнят", что они рождены в одной системе атомов. "Память" – это зафиксированный набор фаз отдельных атомных излучателей, который можно назвать фазовым портретом системы атомов. В зависимости от того, как быстро происходит сбой фазы атомного излучателя, определяется время этой "памяти", или время когерентности. При сложении когерентных волн в пространстве происходит перераспределение энергии, или интенсивности, – это называется интерференцией.

Конструкции этого типа могут содержать специальный преобразователь, который находится или на торце оптического волокна, или в разрыве двух оптических волокон, или в специально подготовленном определенном месте оптического волокна. Преобразователями внешних воздействий могут быть устройства различных конструкций и принципов действия, которые меняют параметры световой волны.

Рисунок 6.20 ВОД давления, вибраций

ВОД точечного типа называются, как правило, по типу измеряемого внешнего воздействия:

· волоконно-оптические акселерометры,

· датчики перемещений,

· датчики давления,

· вибрационные датчики,

· температурные датчики,

· ВОД электрического тока и напряжения,

· датчики газов и химических веществ,

· волоконно-оптические гироскопы и т.д.

 

Рисунок 6.21 ВОД на основе затухания волны и ВОД с использованием брэгговских решеток

Одним из новых и наиболее перспективных вариантов ВОД температуры, давления, вибрации и механических деформаций являются волоконные брэгговские решетки (ВБР). Волоконная решетка представляет собой отрезок волокна, в структуре которого сформирована решетка с измененным показателем преломления. ВБР обеспечивает узкополосное отражение, спектральное положение которого зависит от внешних воздействий.

В распределенных ВОД оптическое волокно на всем своем протяжении само является преобразователем внешних воздействий в изменение параметров распространяющегося излучения. Это означает, что могут быть созданы оптические сенсорные линии протяженностью в десятки и сотни километров. На сегодняшний день большинство волоконно-оптических распределенных датчиков основаны на явлении интерференции.

Распределенный ВОД на основе интерференции мод. Если распространяющиеся в многомодовом оптическом волокне моды лазера, работающего в режиме непрерывного излучения, являются когерентными, то на выходе света из такого волокна будет наблюдаться интерференционная картина. Даже небольшой изгиб оптического волокна, обусловленный внешним механическим воздействием, изменяет фазы распространяющихся мод – меняется интерференционная картина – происходит модуляция интенсивности света (рисунке 6.22).

  

Рисунок 6.22 Распределенные ВОД с межмодовой и двухлучевой интерферометрией 

Распределенный ВОД на основе двухлучевой интерферометрии. В отличие от межмодовой интерферометрии, где происходит интерференция между многими модами, эти типы ВОД используют два одномодовых волокна. Режим излучения также непрерывный. Внешнее механическое воздействие по-разному изменяет фазы световых волн в этих волокнах, в результате регистрируется изменение интерференционной картины на торце волокна.

Периметровые системы обнаружения на основе этих типов ВОД имеют протяженные (до 60 км) линейные части, содержащие только пассивные волоконно-оптические кабели и элементы. Эти мониторинговые системы названы распределенными оптическими сенсорными системами многокабельными, или РОССМ. Подобные системы производятся серийно в США, России и ряде других стран.

Распределенный ВОД на основе импульсной рефлектометрии. В этом типе датчиков, в отличие от вышеописанных, используется импульсный режим излучения лазера. Световой импульс достаточно высокой мощности распространяется по волокну, излучая в результате рамановского рассеяния свет в обратном направлении. Анализ интенсивности спектральных компонентов рассеянного назад света позволяет осуществить измерения температуры с координатной привязкой к оптической кабельной линии (рисунок 6.23).

Рисунок 6.23 Принцип измерения пространственного распределения температуры с использованием ВОД.

Распределенный ВОД на основе когерентной рефлектометрии. В этом типе датчиков также используется импульсный режим излучения лазера. Световой импульс достаточно высокой мощности и высокой степени когерентности распространяется по волокну, излучая в результате релеевского рассеяния свет в обратном направлении. Интерференция рассеянного назад света позволяет не только обнаруживать факт внешнего воздействия на оптический сенсор, но и определять координату этого воздействия с точностью до нескольких метров. Распределенные волоконно-оптические системы на основе таких сенсоров могут иметь протяженные (до 50–70 км) линейные части, содержащие только один оптический кабель, являющийся сенсором воздействий и одновременно линией связи.

⇐ Предыдущая34353637383940414243Следующая ⇒

Поделиться: