Измерительные вычислительные системы Оптические волоконные сенсоры Преподаватель доцент

Измерительные вычислительные системы Оптические волоконные сенсоры Преподаватель: доцент кафедры радиофизики и радиоэлектроники Семенов Андрей Леонидович Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.

Область применения ОВС Оптические волоконные сенсоры Область приложения оптических волокон в измерительных системах можно разбить на три группы: Ø световоды для освещения при дистанционном наблюдении и в труднодоступных местах; Ø системы обзора, такие как эндоскопы, экраны и увеличители; Ø сенсоры, использующие само оптическое волокно или небольшие дополнительные компоненты. + относительно низкая стоимость установки; + при сущая им безопасность, ввиду электрической изоляции и малой мощности света; + устойчивость и надежность, определяющие малые эксплуатационные затраты; + нечувствительность к электромагнитным помехам и возмущениям; + химическая инертность; + отсутствие электромагнитной передачи; + термостойкость; + широкая полоса рабочих частот. Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.

Характеристики ОВ Оптические волоконные сенсоры Критический угол Для указания собирательной способности волокна используется специальная мера. Она называется "числовая апертура" (numerical aperture). Числовая апертура представляет собой синус угла приема, то есть: Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.

Характеристики ОВ Оптические волоконные сенсоры Если имеются два волокна с одним и тем же диаметром сердечника, но с различными числовыми апертурами, волокно с большей апертурой будет принимать больше световой энергии от источника света, чем волокно с меньшей апертурой. Если есть два волокна с одинаковыми апертурами, но с различными диаметрами, волокно с большим диаметром получит в сердечник больше световой энергии, чем волокно с меньшим диаметром. Числовая апертура становится меньше по мере того, как значение n 2 приближается к n 1. В промышленных волокнах разность δ между n 2 и n 1 составляет всего около 1%, что определяет NA около 0, 2. Увеличение δ невыгодно вследствие возрастания межмодовой дисперсии Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.

Характеристики ОВ Оптические волоконные сенсоры Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.

Ослабление и дисперсия Оптические волоконные сенсоры Ослабление Существуют три механизма, распространяющегося света. из-за которых может уменьшаться интенсивность 1. Поглощенuе Материал волокна может поглощать фотоны. Электроны в молекулах, из которых сделано волокно, поглотив квант энергии, могут перейти в состояние с более высокой энергией. Эта энергия переводит молекулу в возбужденное состояние и высвобождается некоторое небольшое время спустя, когда молекула возвращается в свое основное состояние. Общий эффект состоит в увеличении тепловой энергии вещества. Электронные энергетические уровни в кварцевых волокнах соответствуют энергиям фотонов в ультрафиолетовой области. Кроме того, молекулы вещества, из которого состоит волокно, могут колебаться относительно своих положений равновесия. Кинетическая энергия колебаний имеет дискретные значения. И опять, если поблизости находится фотон, энергия которого равна энергии, необходимой для увеличения кинетической энергии, он может быть поглощен. В этом процессе уровни энергии соответствуют энергиям фотонов в инфракрасной области 8 -12 мкм. Гораздо более высокие потери из-за поглощения могут возникнуть ввиду малых следов примеси металлов в стекле, таких как медь и железо и/или гидкоксильный радикал -ОН. Также известно, что воздействие на волокно ионизирующей радиации или ультрафиолета вызывает увеличение поглощения. Ионы, образующиеся в стекле, становятся центрами поглощения. Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.

Ослабление и дисперсия Оптические волоконные сенсоры Ослабление 1. Поглощенuе 1 спектральное поглощение кварцевого одномодового волокна с гидроксильными пиками на длинах волн 0. 95, 1. 25 и 1. 38 мкм. 2 - собственное поглощение в УФ части спектра 3 - собственное поглощение в ИК области 4 - Рэлеевское рассеяние 5 - потери на излучение, вызванные волноводными нерегулярностями Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.

Ослабление и дисперсия Оптические волоконные сенсоры Ослабление Существуют три механизма, распространяющегося света. из-за которых может уменьшаться интенсивность 2. Утечка моды Ослабление может возникнуть вследствие утечки света из сердцевины в оболочку. Свет, вошедший в волокно внутри конуса приема и в плоскости его оси, будет испытывать полное внутреннее отражение. Однако внеосевые лучи, называемые косыми лучами, могут войти и распространяться за счет отражений под углом чуть меньше критического. Они могут пройти по спирали сотни метров, но в конце концов будут потеряны. Если волокно изогнуто, лучи будут падать на внутреннюю поверхность под углом меньше критического и частично выходить в оболочку. Производители волокна обычно устанавливают минимальный радиус изгиба своего волокна, который следует выдерживать при монтаже с целью минимизации потерь. Кроме того, в процессе изготовления волокна могут возникнуть микроизгибы вследствие механических неоднородностей на границе «сердцевина - оболочка» . Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.

Ослабление и дисперсия Оптические волоконные сенсоры Ослабление Существуют три механизма, распространяющегося света. из-за которых может уменьшаться интенсивность 3. Рассеяние В процессе производства, по мере затвердевания волокна, возникают небольшие неравномерности в показателе преломления. Они вызваны флуктуациями плотности и концентрации примесных элементов. Эти неравномерности имеют размер порядка десятой части длины волны распространяющегося света. В результате часть света рассеивается за пределы волокна. В соответствии с законом Рэлея рассеяние пропорционально λ-4. Таким образом, короткие длины волн испытывают значительно большее рассеяние. Для современных высокотехнологичных волокон рассеяние - наиболее значительная причина потерь. Для кварцевых волокон оно вызывает ослабление в 1, 7 д. Б/км на длине волны 820 нм. Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.

Ослабление и дисперсия Оптические волоконные сенсоры Ослабление Суммарно вышеперечисленные механизмы ослабления могут быть описаны выражением: Где α = αатомн + αмолек + αизгибн + αрассеян Оконцовки и соединения оптического волокна тоже вызывают поглощение и рассеяние. Когда волна проходит через область со скачком показателя преломления, она частично отражается. Для нормального падения это френелевское отражение вызывает четырехпроцентную потерю пропускания, что составляет 8% или 0, 35 д. Б на соединение. Для согласования показателя преломления можно использовать жидкость или клей. Однако стандартным методом достижения наименьших потерь является сплавление (сварка) концов волокна, предварительно соединенных в специальном юстировочном приспособлении. Потери снижаются до величин от 0. 1 до 0. 3 д. Б. Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.

Ослабление и дисперсия Оптические волоконные сенсоры Дисперсия Поскольку ни один из реальных источников света не является монохроматическим, длительность импульса света, введенного в оптическое волокно, увеличивается по мере распространения. Это явление называется хроматической (цветовой) дисперсией. Она дисперсией существует для любой отдельной моды и поэтому классифицируется как внутримодовая дисперсия Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.

Ослабление и дисперсия Оптические волоконные сенсоры Дисперсия Еще один, менее важный, вид дисперсии может возникнуть из-за зависимости длины волны от угла, который луч каждой моды составляет с осью волокна. Такую дисперсию иногда называют волноводной дисперисей. В этом случае также происходит уширение импульса, однако в дисперисей многомодовых волокнах упомянутый эффект пренебрежимо мал по сравнению с материальной дисперсией. Уширение импульса в процессе его распространения на большие расстояния имеет те же последствия, что и при межмодовой дисперсии. Чтобы свести эту проблему к минимуму, в телекоммуникационных линиях большой длины при меняются квазимонохроматические источники света. Суммарный эффект материальной и волноводной дисперсий имеет минимум на длине волны 1, 32 мкм в одномодовых волокнах. Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.

Оптические волоконные сенсоры Оптоволоконные сенсоры на основе внешних эффектов Датчики перемещения Простой оптический переключатель можно сделать, с помощью затвора для прерывания пучка Доработанное, это устройство обеспечивает непрерывное позиционирование, используя решетку муаровых полос. Решетка Муара перемещается поперек зазора между торцами передающего и приемного волокон и затем подсчитываются муаровые полосы. Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.

Оптические волоконные сенсоры Оптоволоконные сенсоры на основе внешних эффектов Датчики перемещения Для перемещения светового пучка поперек сечения волокна может быть использована сферическая линза. Принятая волокном интенсивность меняется в зависимости от перемещения линзы. Два приемных волокна, расположенные рядом друг с другом, служат для получения дифференциального изменения световых сигналов по мере поперечного перемещения линзы (или передающего волокна). Этим способом устраняется проблема вариаций в яркости источника света. Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.

Оптические волоконные сенсоры Оптоволоконные сенсоры на основе внешних эффектов Датчики перемещения Свет, падающий на торец оптического волокна, способен распространяться по нему лишь в том случае, если угол падения луча по отношению к оси волокна лежит внутри конуса приема. Это означает, что передающее волокно излучает свет внутри такого же конуса. Изменение расстояния между волокнами приводит к изменению интенсивности принятого света. С использованием такой конфигурации были разработаны система измерения механических напряжений и гидрофон. Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.

Оптические волоконные сенсоры Оптоволоконные сенсоры на основе внешних эффектов Датчики перемещения Сенсор перемещения отражательного типа: а) - минимальное физическое смещение; б) - максимальное физическое смещение Когда отражатель установлен от плоскости торцов волокон на расстоянии меньшем чем Xmin, свет в приемное волокно не попадает. Если отражатель перемещается таким образом, что промежуток превышает Xmin, то интенсивность принятого света возрастает приблизительно линейно. Дальнейшее увеличение промежутка приводит к уменьшению интенсивности принимаемого света по закону, асимптотически близкому к обратной квадратичной зависимости. Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.

Оптические волоконные сенсоры Оптоволоконные сенсоры на основе внешних эффектов Датчики перемещения В общем случае устройства, которые могут измерять малые перемещения, также перемещения могут быть приспособлены для измерений давления, температуры, механических напряжений, вибрации и ускорения Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.

Оптические волоконные сенсоры Оптоволоконные сенсоры на основе внешних эффектов Позиционно-кодирующие устройства С помощью прозрачной кодирующей пластины или диска могут быть построены высокоточные сенсоры линейного или углового положения. Двоичная кодирующая матрица обычно изготавливается фотолитографическим способом. Для 8 битовой системы, дающей разрешение 1 к 256, необходимо использовать восемь оптических волокон. Линейная кодирующая пластина, перекрывающая диапазон 0 -15 позиций для восьмибитовой системы. Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.

Оптические волоконные сенсоры Оптоволоконные сенсоры на основе внешних эффектов Позиционно-кодирующие устройства Мультиплексные системы, имеющие только одну приемо-передающую пару волокон. Мультиплицирование можно реализовать путем применения источника белого света, который делится на цвета спектра с помощью фильтров, дифракционных решеток или призм. По сути, это мультиплицирование в частотной области, хотя в волоконной оптике обычно его называют мультиплицированием по длинам волн. Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.

Оптические волоконные сенсоры Оптоволоконные сенсоры на основе внешних эффектов Позиционно-кодирующие устройства 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, 2 м соответствует временная задержка около 1 нс. Каждое волокно должно быть по крайней мере настолько длиннее соседнего, чтобы обеспечить уверенное разделение импульсов в тракте передачи данных. Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.

Оптические волоконные сенсоры Сенсоры на основе эффекта поглощения Простой датчик температуры. Опалесценция некоторых жидких кристаллов имеет температурную зависимость. К сожалению, жидкие кристаллы устойчивы лишь при умеренных температурах, поэтому температурный диапазон оказывается ограниченным. Такая конфигурация наиболее пригодна для использования в качестве температурного переключателя , поскольку зависимость опалесценции от температуры нелинейна и диапазон ее узок. Несколько слоев жидких кристаллов , каждый из которых переключается при своей температуре, могли бы служить термометром, хотя и со ступенчатым откликом. Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.

Оптические волоконные сенсоры Сенсоры на основе эффекта поглощения Измерители концентрации газов и жидкостей. Поглощение света, проходящего через газ или жидкость , может служить средством для измерения их концентрации. Поглощение описывается законом Ламберта - Бэра I 0 - интенсивность принятого света в отсутствие растворимого вещества; I - интенсивность принятого света, прошедшего через раствор; х - расстояние между передающим и приемным волокнами в метрах; с - концентрация раствора в молях на кубический метр. Динамический диапазон принятого света должен быть около двух порядков по амплитуде. На нижней границе диапазона выходной сигнал должен быть выше уровня шума. Общим подходом в сенсорах этого типа является использование двух длин волн: одной чувствительной к измеряемым образцам, а другой - нет. В этом случае может быть учтено изменение свойств источника света, также как и присутствие других веществ, отличающихся от измеряемых. Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.

Оптические волоконные сенсоры Сенсоры на основе эффекта поглощения Люминесцентные сенсоры Люмuнесценцuя -- это излучение света предварительно возбужденной молекулой в процессе ее возврата в состояние с низкой энергией. Интенсивность излучаемого света экспоненциально спадает со временем. Для объемного образца постоянная времени спада τ равна среднему времени существования молекулы в возбужденном состоянии. Обычно эту величину называют временем жизни. Различают два класса люминесценции: Ø Флюоресценцию Ø Фосфоресценцuю Флюоресценцией называют излучение с коротким временем жизни, порядка 10 -9 с. Она происходит в различных газах, жидкостях и твердых телах. Фосфоресценция наблюдается только в твердых телах, и, поскольку переход в низшее энергетическое состояние относится к запрещённым, испускание света может длиться многие минуты. Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.

Оптические волоконные сенсоры Сенсоры на основе эффекта поглощения Люминесцентные сенсоры Флюоресцентные сенсоры Свет испускается передающим волокном и поглощается в среде в соответствии с абсорбционным соотношением. Наблюдается отклик от флюоресцентного материала. Существует несколько механизмов возникновения флюоресценции: Ø Исследуемое вещество само по себе является флюоресцентным материалом. Ø Молекулы исследуемого вещества соединены с молекулами флюоресцентного реагента, называемого флюофором, и стимулируют его флюоресценцию. Эту методику называют маркировкой. Ø Исследуемое вещество вступает в химическую реакцию с реагентом, образуя новые комплексы или композицию, которые являются флюоресцентными. Ø Исследуемое вещество взаимодействует с флюофором таким образом, что изменяется интенсивность или время жизни флюоресценции. (+ - нет зависимости от интенсивности падающего излучения) При люминесцентных методиках длины волн излучаемого и возбуждающего света различны. Это обстоятельство может обеспечить выигрыш по чувствительности до 10 раз по сравнению с прямым методом поглощения. Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.

Сенсоры на основе эффекта поглощения Оптические волоконные сенсоры Люминесцентные сенсоры Фосфоресценция некоторых композиций на основе редких земель экспоненциально убывает с температурой. Это явление может быть использовано для создания датчика температуры. Структура такого устройства - просто приемо-передающее волокно, торец которого покрыт активным веществом. Этот торец находится в термодинамическом равновесии с окружающей средой, температуру которой надо измерить. Указанные материалы работоспособны в интервале температур от -200 до +400 °С. Испускание света L может быть выражено как г де Lo - начальная интенсивность фосфоресценции при выключении возбуждающего светового импульса. Измеряется значение постоянной времени, а затем по калибровочным таблицам определяется температура. С ростом температуры величина постоянной времени уменьшается, обычно в диапазоне от 5 с при -200 °С до около 1 с при +400 °С. Поскольку для определения измеряемой величины используется постоянная времени, как и в случае флюоресценции, вариации интенсивности источника света или ослабления в оптической системе не влияют на калибровку. Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.

Оптические волоконные сенсоры Сенсоры на основе полного внутреннего отражения Сенсор уровня жидкости При использовании 90 -градусных призм были сконструированы сенсоры уровня жидкости. Угол падения в них составляет 45°, что больше критического угла для границы стекло-воздух. Однако при покрытии призмы жидкостью свет не будет полностью отражаться, и приемник зафиксирует сильно ослабленный сигнал. Линейка таких сенсоров вдоль стенки резервуара с жидкостью обеспечивает дискретное измерение уровня. Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.

Оптические волоконные сенсоры Сенсоры на основе полного внутреннего отражения Пирометры Пuромеmрuя - это измерение температур самосветящихся объектов по их цвету. Для разработки волоконно-оптического пирометра используют материал для изготовления зонда, способный выдержать температуру раскаленной печи. Например монокристалл сапфира. Он покрыт металлом с высокой температурой плавления, который служит защитой от любого видимого света и действует, как стенки полости абсолютно черного тела. Хорошо зарекомендовал себя иридий, который, несмотря на трудности в обработке, наиболее устойчив к химическим воздействиям. Сапфир оптически присоединен к кварцевому волокну за пределами горячей зоны. Поскольку полость абсолютно черного тела встроена в инструмент, можно включить в аппаратуру корректировку на неидеальность излучательной способности. Также могут быть учтены потери на соединения и поглощение в оптической системе. Для этого используют относительные интенсивности двух разных участков спектра, выделенных узкополосными фильтрами. Измерения температуры возможны с погрешностью ± 0, 0025% в диапазоне 500 -2000 °С. Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.

Оптические волоконные сенсоры Сенсоры на основе внутренних эффектов Внутренний эффект - изменение за счет измеряемого воздействия некоторого параметра или свойства оптического волокна. Измерение происходит внутри волокна. Преимуществами оптоволоконных сенсоров с внутренним эффектом по сравнению с сенсорами внешнего типа являются: + + большее геометрическое разнообразие, более широкий динамический диапазон, гораздо более высокая чувствительность, более низкая инерционность. Недостатками оптоволоконных сенсоров с внутренним эффектом по сравнению с сенсорами внешнего типа являются: – – – повышенная сложность, требуется более сложный процесс обнаружения и обработки сигнала, повышены требования к точности и стабильности оптических элементов, необходим стабильный источник света с заданными характеристиками, повышенная чувствительность к параметрам окружающей среды снижает селективность и приводит к дрейфу нуля, что затрудняет проведение измерений постоянных или медленно меняющихся величин. Оптикофизическими явлениями, используемыми для измерений, являются: Ø ослабление или фазовый сдвиг вследствие физической деформации волокна, Ø вращение плоскости поляризации, Ø рассеяние. Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.

Оптические волоконные сенсоры Сенсоры на основе внутренних эффектов Физическая деформация При построении сенсоров на микроизгибах кривизна оси волокна изменяется под воздействием измеряемой величины, за счет чего возникают потери пропускании света. Метод микроизгибов был использован при построении сенсоров положения, силы, давления, механического напряжения, ускорения и вибрации. Достигнута нелинейность менее 1%. Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.

Оптические волоконные сенсоры Сенсоры на основе внутренних эффектов Изменение длины оптического пути Предполагаем, что волна распространяется вдоль оси z, тогда фазовый член для распространения волны в веществе выражается как (ωt - n 1 kz) n 1 - абсолютный показатель преломления. k - волновое число свободного пространства 2π/λ 0 Член n 1 z - физический путь умноженный на показатель преломления, оптическая длина пути. Если световая волна была разделена и ее составные части прошли различные пути, а затем она вновь соединилась, то возникнет некоторый фазовый сдвиг φ, равный φ= n 1 kz- n 2 kz 2 Если обе части распространялись в одной и той же среде: φ= nkz 1 - nkz 2= nkδz Конструкция сенсора должна быть такой, чтобы измеряемая физическая величина вызывала некоторое изменение разности оптических путей. Эти фазовые сдвиги измеряются интерференционным методом с помощью интерферометра какого-либо типа. К сожалению, изменение интенсивности в зависимости от разности оптических путей - функция нелинейная. Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.

Оптические волоконные сенсоры Сенсоры на основе внутренних эффектов Изменение длины оптического пути Интерферометр Маха- Цендера Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.

Оптические волоконные сенсоры Сенсоры на основе внутренних эффектов Изменение длины оптического пути Интерферометр Фабри - Перо Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.

Оптические волоконные сенсоры Сенсоры на основе внутренних эффектов Изменение длины оптического пути Интерферометр Малькейсона Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.

Оптические волоконные сенсоры Сенсоры на основе внутренних эффектов Изменение длины оптического пути Существенной проблемой, стоящей перед разработчиками сенсоров интерферометрического типа, является трудность измерения постоянных или медленно меняющихся величин, вызванная температурным дрейфом разности оптических путей. Временной масштаб такого дрейфа около 0. 1 с. Следовательно, интерферометрические сенсоры наиболее пригодны для проведения измерений на частотах выше 10 Гц. Другая сложность заключается в измерении длин, больших чем длина волны, поскольку одинаковые интенсивности интерференции повторяются с периодом 2π фазового сдвига. Установка нуля также становится затруднительной. Таким образом, оказывается возможным измерение только малых относительных смещений, если не используются более сложные конструкции с автоматической установкой нуля и дополнительной обработкой сигнала. Были разработаны волоконно-оптические интерферометры для измерения показателя преломления, ускорения, электрических и акустических полей, электрического тока, температуры, механических напряжений и давления. Показатель преломления, используемый давления при химическом анализе, измерялся либо на конце волокна в интегрально-оптической структуре по типу интерферометров Майкельсона или Фабри - Перо, либо через боковую поверхность волокна через волну утечки в структуре интегрально-оптического интерферометра Мaxa - Цендера. Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.

Оптические волоконные сенсоры Сенсоры на основе внутренних эффектов Изменение длины оптического пути Магнитострикционныймагнитометр В присутствии магнитного поля волокно будет либо сжато, либо растянуто, что вызовет изменение фазы света, распространяющегося по волокну. При возбуждении системы в области механического резонанса чувствительность повышается. Наиболее подходящая для магнитометра интерферометрическая схема - интерферометр Маха Цендера. Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.

Оптические волоконные сенсоры Сенсоры на основе внутренних эффектов Изменение длины оптического пути Эффект Саньяка Оптическая среда представляет собой кольцо радиуса R, вращающееся вместе с приемником с некоторой угловой скоростью ω. Вследствие вращения время распространения от А до В будет больше, чем время распространения от В до А. Следовательно, если пучок света разделен на два и один из них распространяется в направлении вращения, а другой против направления вращения, между ними возникает разность фаз, которая обусловлена различием в длинах оптических путей. Когда кольцо неподвижно, время распространения света Δt на один оборот вдоль кольца равно Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.

Сенсоры на основе внутренних эффектов Оптические волоконные сенсоры Изменение длины оптического пути Эффект Саньяка Если кольцо вращается, то за время Δt оно повернется на ΩΔt радиан. Следовательно, путь света АВ увеличится на RΩΔt, а путь ВА уменьшится на RΩΔt. Поэтому разность хода будет А - площадь кольца. Разность фаз равна φ= nkz 1 - nkz 2= nkΔz Эффект Саньяка не зависит от формы геометрической фигуры, образующей замкнутый контур, а также не зависит от положения центра вращения. Фазовый сдвиг прямо пропорционален Ω, и поэтому этот метод весьма удобен для построения инерциальных систем управления. Наилучшие из разработанных на данный момент устройств могут обнаруживать вращение со скоростью до 0, 00001 градусов в час. Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.

Оптические волоконные сенсоры Сенсоры на основе внутренних эффектов Вращение поляризации Суперпозиция пучков поляризованного света Френеля и Араго: 1. Плоскополяризованные пучки с ортогональными плоскостями поляризации не интерферируют. 2. Два плоскополяризованных пучка света интерферируют, если они имеют одинаковую ориентацию плоскости поляризации и эти пучки испущены одним и тем же плоскополяризованным источником или одной и той же плоскостью поляризации неполяризованного источника. 3. Два плоскополяризованных пучка света, испущенных перпендикулярно поляризованными компонентами неполяризованного источника света, никогда не интерферируют, даже если затем их плоскости поляризации повернуты таким образом, чтобы они совпадали. Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.

Оптические волоконные сенсоры Сенсоры на основе внутренних эффектов Вращение поляризации Способы поляризации: Поляризация с помощью стеклянной пластинки (угол Брюстера) Поляризация за счет двулучепреломления (плоскости поляризации ортогональны) Поляризация за счет селективного поглощения (дихроизм селективное поглощение одной из ортогональных поляризаций неполяризованной световой волны. ) Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.

Оптические волоконные сенсоры Сенсоры на основе внутренних эффектов Вращение поляризации Свет, распространяющийся по оптическому волокну, может претерпевать изменение поляризации вследствие различных внешних воздействий, что используется при создании сенсоров. Состояния поляризации, которые может приобрести выходящая волна вследствие двулучепреломления. Наличие двулучепреломления может быть свойством стекла или возникнуть под воздействием измеряемой физической величины. Плоскополяризованная волна, входящая в волокно, может быть разложена на две идентичных ортогональных компоненты с плоскостями поляризации, например, Ех и Еу , которые распространяются вдоль двулучепреломляющего волокна в направлении z. В предположении отсутствия ослабления при достижении приемника электрическое поле волны, образованное векторным сложением Ех и Еу , приобретает одну из трех возможных форм: Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.

Оптические волоконные сенсоры Сенсоры на основе внутренних эффектов Вращение поляризации Для построения сенсоров внутреннее состояние поляризации в оптическом волокне должно быть стабильным, с тем, чтобы можно было обнаружить изменение, вызванное измеряемым воздействием. Для достижения этого берется одномодовое волокно, которое удовлетворяет одному из следующих критериев: Ø Не имеет двулучепреломления. Добиться этого трудно, требуются специальные материалы и высокоточная технология производства. Ø Имеет высокое двулучепреломление вдоль оси за счет специально создаваемого в процессе производства внутреннего напряжения. Различающиеся показатели преломления для двух ориентаций делают возможной такую конфигурацию. Одна из них теряется в оболочке, а распространяться будет лишь вторая поляризация. Оболочечная мода отсекается в приемнике. Ø Обладает тонкой сердцевиной эллиптического сечения. Поляризованный свет, введенный в волокно таким образом, чтобы его поляризация совпадала с главной осью эллипса, будет распространяться без изменения поляризации. Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.

Оптические волоконные сенсоры Сенсоры на основе внутренних эффектов Вращение поляризации Магнитооптический эффект Фарадея Когда плоскополяризованный свет проходит через стекло, к которому приложено сильное магнитное поле вдоль направления распространения света, плоскость поляризации поворачивается. Этот эффект - результат взаимодействия магнитных полей света и вращательных компонент электронных орбиталей. Наиболее полезное применение этой технологии - разработка волоконно-оптического сенсора тока. Сенсор создается навивкой оптического волокна на токопроводящую шину. Поляризацию можно измерить с помощью призмы Волластона. Из нее выходят два ортогональных линейно поляризованных выходных пучка. Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.

Оптические волоконные сенсоры Сенсоры на основе внутренних эффектов Вращение поляризации Эффект Керра При приложении электрического поля к изотропному диэлектрику он становится двулучепреломляющим. Плоскополяризованная световая волна с вектором электрического поля, направленным вдоль приложенного внешнего поля, замедляется этим полем. В эффекте Керра электрическое поле света взаимодействует с линейной компонентой движения электронов по орбиталям. Эффект Керра обусловлен, главным образом, гиперполяризуемостью среды, происходящей в результате деформации электронных орбиталей атомов или молекул или вследствие переориентации последних. Оптический эффект Керра оказывается очень быстрым — от сотен фемтосекунд до нескольких наносекунд. Наблюдая изменения в поляризации, можно измерять напряженность электрического поля. Плоскополяризованная волна под углом 45° к измеряемому полю вводится в оптическое волокно и становится эллиптически поляризованной вследствие замедления ее компоненты, направленной вдоль внешнего поля. Затем форма эллипса анализируется для измерения напряженности поля. Состояние поляризации зависит от квадрата электрического поля. Вследствие этой нелинейности, устройства измерения напряжения оказалось создать гораздо труднее, чем измерители тока, по причине локальных вариаций электрического поля, возникающих в поперечном сечении волокна. Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.

Оптические волоконные сенсоры Сенсоры на основе внутренних эффектов Распределенное зондирование Механизмы регистрации Проблемы, с которыми сталкиваются проектировщики распределенных волоконно-оптических систем: Ø Подбор соответствующего физического эффекта для измерения нужной физической величины. Ø Выбор подходящего стиля мультиплексирования для того, чтобы значения данных, принятых из различных точек измерительной линии, являлись независимыми. Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.

Оптические волоконные сенсоры Сенсоры на основе внутренних эффектов Распределенное зондирование Рэлеевское рассеяние Механизмы регистрации Обратное рассеяние, регистрируемое внутри приемного конуса, составляет малую часть общего рассеяния. Кроме того, свет, распространяющийся по волокну в обоих направлениях, затухает по экспоненте. Следовательно, отраженный сигнал слаб, и для улучшения отношения сигнал/шум необходимо использовать методы восстановления сигнала. Градиент на участках излома кривой указывает на увеличение потерь, что отмечено на рисунке в двух точках. Потери вызваны измеряемыми величинами, они могут быть связаны с проявлением множества механизмов, таких как: Ø температурная зависимость обратного рассеяния, Ø микроизгибы, Ø потери за счет волны утечки, Ø температурная зависимость поглощения, вызванная примесями в кварцевом волокне, Ø изменение двулучепреломления в одномодовом волокне из-за фотоупругого эффекта, или эффекта Керра, Ø вращение плоскости поляризации вследствие эффекта Фарадея. Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.

Оптические волоконные сенсоры Сенсоры на основе внутренних эффектов Распределенное зондирование Рамановское рассеяние Механизмы регистрации При молекулярном рассеянии имеет место не только Рэлеевское рассеяние, происходящее без изменения длины волны, но также и более слабое рассеяние со смещенными длинами волн. Другие длины волн возникают из-за колебаний молекул, а в газах - из-за вращательного движения молекул. Падающий фотон заставляет молекулу перейти в возбужденное виртуальное состояние. (возбужденное состояние, которое не является ни одним из энергетических состояний молекулы непосредственно) Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.

Оптические волоконные сенсоры Сенсоры на основе внутренних эффектов Распределенное зондирование Рамановское рассеяние Механизмы регистрации Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.

Оптические волоконные сенсоры Сенсоры на основе внутренних эффектов Распределенное зондирование Рамановское рассеяние Механизмы регистрации Сдвиг в длинах волн в кварцевых волокнах, легированных германием, достаточен для того, чтобы компоненты рассеянного света могли быть разделены высококачественными узкополосными фильтрами. Оказалось, что чувствительность антистоксовой компоненты спектра рассеяния к температуре максимальна и составляет приблизительно 0, 8%/K при температуре 300 К. Наиболее часто измеряют уровни стоксова и антистоксова обратного рассеяния при помощи методов усреднения по времени при очень слабых интенсивностях. Вычисление соотношения между ними позволяет проводить температурные измерения. Коммерческие устройства, существующие в настоящее время, позволяют обеспечить высокую линейность в диапазоне 200 -400 К. Температурное разрешение составляет ± 1 К, а пространственное разрешение - несколько метров на 1 км. Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.