4.4 Волоконно-оптические датчики

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 и т.д..

Помимо высоких метрологических характеристик датчики должны обладать высокой надежностью, долговечностью, стабильностью, малыми габаритами, массой и энергопотреблением, совместимостью с микроэлектронными устройствами обработки информации при низкой трудоемкости изготовления и небольшой стоимости. Этим требованиям в максимальной степени удовлетворяют волоконно-оптические датчики.

Основными элементами волоконно-оптического датчика являются оптическое волокно, светоизлучающие (источник света) и светоприемные устройства, оптический чувствительный элемент.

В истории волоконно-оптических датчиков трудно зафиксировать какой-либо начальный момент в отличие от истории волоконно-оптических линий связи. Первые публикации о проектах и экспериментах с измерительной техникой, в которой использовалось бы оптическое волокно, начали появляться с 1973 г.

К 1978 г. число исследований и разработок в Японии и других странах стало уже ощутимым. Однако в публикациях 1970-х годов термин «волоконно-оптический датчик» еще не был общепринятым. В японской технической литературе этого периода чаще всего использовался термин «измеритель на основе оптических волокон», а в статьях на английском языке «оптический датчик на волокне». Лишь в 1981 г. термин «волоконно-оптический датчик» признан всеми и окончательно утвердился после состоявшейся в 1982 г. в Лондоне первой международной конференции по волоконно-оптическим датчикам.

Если классифицировать волоконно-оптические датчики с точки зрения применения в них оптического волокна, то, как уже было отмечено выше, 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.

Волоконно-оптические датчики используют:

 1) Изменение характеристик волокна (рис. 4.3, а) при механическом воздействии. При этом используются такие физические явления, как эффект Фарадея, эффект Керра.

 2) Изменение параметров передаваемого света (рис. 4.3, б).

 3) Преобразование «физическая величина свет». Чувствительным элементом может быть как сам измеряемый объект, так и специальный элемент, прикрепляемый к нему (рис. 4.3, в).

Рис. 4.3 Классификация основных структур волоконно-оптических датчиков: а) с изменением характеристик волокна. Используемые физические явления: эффект Фарадея, эффект Керра, изменение давления, радиация. Материал - люминесцентное волокно; б) с изменением параметров передаваемого света; в) с чувствительным элементом на торце волокна

Волоконно-оптические технологии используются в приборах: определения давления, температуры, загрязнений, магнитных и электрических полей, ускорений и т.д. Волоконно-оптические гироскопы очень надежны, так как у них нет движущихся частей.