Оптоэлектронные первичные преобразователи на базе световодной техники введение

Стремительное развитие электроники и вычислительной техники оказалось предпосылкой для широкой автоматизации самых разнообразных процессов в промышленности, в научных исследованиях, в быту. Однако реализация этой предпосылки в значительной мере определяется возможностями устройств для получения информации о регулируемом параметре или процессе. Описанию таких устройств – датчиков – и посвящена данная книга. Разумеется, применение датчиков не ограничивается только автоматизированными системами, поскольку они могут выполнять также функции просто измерительных элементов и систем.

По определению к датчикам относятся все основные узлы оптоэлектронной схемы для измерения неэлектрических величин, расположенные непосредственно у объекта. Необходимость преобразования измеряемой неэлектрической величины в адекватный ей электрический сигнал послужила позднее основанием для введения термина «измерительный преобразователь», вместо термина «датчик».

Общие тенденции к миниатюризации и компьютеризации определить то, что сигнал датчика, в большинстве случаев аналоговый, для обработки в микропроцессоре или микро-ЭВМ должен быть представлен в цифровом виде. Это осуществляется обычно интерфейсным устройством, включающим в себя АЦП. В последнее время наряду с созданием датчиков, имеющих цифровой выходной сигнал, наблюдается тенденция к конструктивному объединению датчиков с микропроцессорными устройствами.

Совершенствование технологий изготовления позволило также расширить сферы применения датчиков и к тому же повысить их точность, быстродействие, надежность, долговечность, удобство сопряжения с электронными измерительными схемами. Массовый характер производства датчиков способствует снижению их цены, что также является немаловажным фактором, определяющим их внедрение в практику.

В свете изложенного предлагаемая читателю книга служит пособием для вводного ознакомления с проблемой, в обобщенном виде называемой «сенсорикой». Сенсорика рассматривает технику конструирования, изготовления и применения датчиков. В доступной форме здесь изложены физические принципы и практическое устройство широкого спектра оптоэлектронных первичных преобразователей различного назначения. Основное внимание при этом уделено их современным разновидностям на основе световодной техники, принцип действия которой базируется на изменении амплитуды, фазы, поляризации, частоты оптических сигналов, распространяющихся по световоду, при различных изменениях сигналов от параметров технологических процессов.

В последнее десятилетие сформировалось направление, использующее оптическое излучение и уникальные свойства оптических сред для регистрации различных физических воздействий. Этому способствовали также успехи в технологии волоконных световодов, которые привели к широкому их использованию для передачи информационных сигналов.

В середине 60-х годов было отмечено, что факторы, препятствующие качественной передаче направленных потоков излучения через световоды (изменение условий полного внутреннего отражения, рассеяние излучения на микродефектах и даже обрыв светопроводящих волокон), могут стать источниками измерительной информации. Именно влияние этих факторов служит основой для построения преобразователей различных физических величин (оптоэлектронных волоконно-оптических преобразователей), в которых световод, расположенный между источником излучения и фотоприемником, является одновременно чувствительным элементом и каналом, связывающим объект измерений с регистрирующей аппаратурой.

Развитие волоконно-оптических датчиков (ВОД) идет по пути замены традиционных датчиков, когда потребителя не удовлетворяют их параметры, или по пути получения новых функций. Они оказываются конкурентоспособными в тех случаях, когда необходимо обеспечить работу в условиях сильных электромагнитных полей, в агрессивных и взрывоопасных средах совместно с волоконно-оптическими линиями связи. В настоящее время это уже признанное направление развития измерительных преобразователей, в рамках которого созданы датчики давления, усилия, перемещения, скорости, акустических нагрузок, напряженности электрического и магнитного полей и т. д.

Разработке волоконно-оптических датчиков способствовали и способствуют прежде всего достижения в изготовлении стеклянных волокон и их системных компонентов (разъемов, источников света, детекторов и т. п.). Попадающий в волоконно-оптический детектор световой пучок от источника света под действием измеряемого параметра (например, давления, температуры, уровня и т. п.) претерпевает в детекторе изменение по интенсивности, поляризации, фазе или цвету и тем самым обеспечивает получение информации. Распространение световых волн внутри датчика осуществляется по стеклянным волокнам, применяемым, например, в технике связи. Эти датчики новых типов находят применение, прежде всего в условиях, характеризуемых наличием агрессивных паров или взрывоопасных газовых смесей, в зонах повышенной радиоактивности и сильных электромагнитных полей.

Успехи оптоэлектроники, связанные с появлением высокоэффективных полупроводниковых источников излучения, фотоприемников, а также развитие и совершенствование технологии оптических волокон (световодов) для передачи направленных потоков оптического излучения на значительное расстояние позволили расширить возможности генерации, переноса, преобразования и хранения информации.

Параметры многих ВОД превосходят аналогичные показатели традиционных приборов, кроме того, волоконные датчики идеально стыкуются с телеметрическими системами в волоконном исполнении.

Всевозможные нерегулярности, вызываемые внешними воздействиями, в принципе могут быть использованы для регистрации этого воздействия. На этом, а также на использовании разного рода нелинейных эффектов, возникающих при взаимодействии излучения с веществом волокна, и базируется принцип действия большинства датчиков.

Датчики на основе нарушения полного внутреннего отражения обладают высокой чувствительностью, позволяют использовать однократное отражение, что в значительной степени уменьшает габариты устройства.

Одним из направлений развития волоконно-оптических преобразователей (ВОП) являются исследование и разработка устройств, в которых полезный эффект достигается изменением интенсивности некогерентного оптического излучения в разрыве волоконно-оптического канала. В преобразователях такого типа, получивших название ВОП с внешней модуляцией, изменение интенсивности потока излучения, проходящего от источника к фотоприемнику, осуществляется либо за счет введения в разрыв волоконно-оптического канала объекта контроля, либо за счет взаимного перемещения каналов под действием измеряемой величины.

Приоритетной областью применения ВОП с внешней модуляцией являются бесконтактные измерения параметров движения в диапазоне частот до сотен килогерц, размерный контроль, контроль сил, давлений и других механических величин, контроль качества поверхностей объектов и состояния прозрачных сред в сложных условиях окружающей среды.

В последние годы появилось достаточное количество литературы, в которой в той или иной степени затрагиваются вопросы, связанные с волоконно-оптическими преобразователями. Однако в них недостаточно изложены особенности проектирования оптических каналов ВОД, влияние их конструкции на метрологические и эксплуатационные характеристики для различных конкретных применений, вопросы уменьшения влияния неинформативных факторов, а также особенности применения как компонента аппаратуры технологического контроля.

Основными задачами при написании были: изложить принцип работы волоконно-оптических датчиков, а также функционирование отдельных классов, указать их основные особенности, предельные возможности и ограничения; дать примеры наиболее успешных технических реализаций и очертить перспективы развития этой области оптического приборостроения.