Патентный поиск / Патентный поиск

Реферат

Волоконно – оптические измерительные системы – это устройства,

предназначенные для измерения различных физических воздействий и различных физических полей, а также характеристик различных физических объектов, с помощью оптического излучения, и для передачи результатов такого измерения от места измерения к оператору посредством волоконного оптического световода.

Использование оптического излучения в качестве измерительного агента позволяет производить измерения многих факторов и воздействий, недоступных или труднодоступных другими, традиционными, неоптическими методами. При этом применение оптического волоконного световода в качестве передающей (а в ряде случаев, также и измерительной) среды позволяет получить существенные выгоды и преимущества как в качестве измерений (более высокую чувствительность, возможность измерения более широкого класса воздействий, большую помехоустойчивость к воздействию паразитных факторов на процесс измерения) так и в технологии передачи измерительной информации к месту её обработки и использования (нечувствительность к электромагнитным помехам и наводкам, большую электробезопасность, меньшие весовые и габаритные параметры).

С некоторой долей условности можно разделить волоконно – оптические измерительные системы на группы по типу измеряемых объектов. Схему любой ВОИС можно представить в виде совокупности четырёх основных узлов: источника излучения (ИИ), приёмника излучения (ПИ),

чувствительного элемента (ЧЭ) и волоконного оптического световода

(ОВС).

Существует множество физических эффектов, вызывающих изменение параметров оптического излучения, генерируемого в оптической среде или распространяющегося в среде, на которую воздействует измеряемый фактор:

Электрооптический эффект Суть электрооптического эффекта состоит в изменении, под действием

внешнего электрического поля, длины полуосей и положения в пространстве эллипсоида показателей преломления ряда материалов – так называемых электрооптических материалов. Это, в свою очередь, приводит к изменению показателей преломления для компонентов оптической волны, поляризованных в направлении той или иной кристаллографической оси.

Электрооптический эффект используется для создания датчиков напряжённости электрического поля, датчиков - измерителей электрического напряжения, электрооптических модуляторов.

Упруго-оптический эффект или эффект фотоупругости Суть упруго-оптического эффекта состоит в изменении, под действием

внешнего механического напряжения, длины полуосей и положения в пространстве эллипсоида показателей преломления ряда материалов – упруго-оптических материалов. Это, в свою очередь, приводит к изменению показателей преломления для компонент оптической волны, поляризованных в направлении той или иной кристаллографической оси. Изменение показателей преломления зависит от внешнего механического напряжения.

Упругооптический эффект используется для создания датчиков механических напряжений, датчиков - измерителей давления, гидроакустических датчиков.

Магнитооптический эффект Фарадея Суть магнитооптического эффекта состоит в повороте плоскости

поляризации линейно поляризованного света, проходящего через магнитоактивный оптический материал, находящийся в продольном магнитном поле с напряженностью. Угол поворота зависит от напряжённости магнитного поля, длины магнитоактивной среды и параметров материала.

Эффект Фарадея используется для создания датчиков магнитного поля и датчиков - измерителей тока.

Эффект электрогирации Суть эффекта электрогирации состоит в повороте плоскости

поляризации линейно поляризованного света, проходящего через оптический материал, находящийся в продольном электрическом поле с напряженностью. Угол поворота зависит от напряжённости поля, длины электрогирационной среды и параметров материала.

По сути дела, эффект электрогирации является электрическим аналогом эффекта Фарадея и может быть использован для создания датчиков электрического поля и датчиков - измерителей напряжения. Проявляется в монокристаллах определённой группы симметрии.

Эффект Саньяка Суть эффекта Саньяка заключается в том, что оптическая волна,

распространяющаяся по замкнутому вращающемуся контуру, приобретает набег фазы, величина которого зависит от длины оптического пути, угловой скорости вращения контура и направления вращения. Для волны, распространяющейся в направлении вращения, набег фазы больше, чем для волны, распространяющейся против направления вращения контура. Интенсивность излучения, образующегося после сложения двух встречных волн, зависит от взаимной разности фаз интерферирующих волн.

Датчик такого типа является фазовым датчиком и может быть использован для измерения угловой скорости вращения и вычисления на этой основе угла поворота оптического контура, то есть является оптическим гироскопом.

Эффект электроабсорбции (эффект Франца – Келдыша)

Суть эффекта состоит в уменьшении ширины запрещенной зоны в полупроводниковом монокристалле при приложении к кристаллу внешнего электрического поля. Это изменение сложным образом зависит от напряжённости приложенного поля и типа полупроводника. Уменьшение ширины запрещённой зоны приводит к увеличению показателя поглощения оптического излучения, распространяющегося по кристаллу чувствительного элемента и, соответственно, к уменьшению выходной интенсивности излучения.

Датчик такого типа является амплитудным датчиком и может быть использован для измерения напряжённости электрического поля и электрического напряжения.

Температурная зависимость ширины запрещённой зоны полупроводника Суть эффекта состоит в уменьшении ширины запрещенной зоны в

полупроводниковом монокристалле при увеличении температуры кристалла. Это изменение сложным образом зависит от температуры и типа полупроводника. При этом показатель поглощения полупроводника для излучения с фиксированной длиной волны будет также зависеть от температуры. Увеличиваясь с её ростом, это будет приводить к уменьшению выходной интенсивности излучения. Датчик такого типа также является амплитудным датчиком и может быть использован для измерения температуры.

Температурная зависимость излучения абсолютно чёрного тела Суть эффекта состоит в изменении спектрального распределения интенсивности излучения абсолютно чёрного тела (АЧТ) при

изменении температуры. Спектральная плотность мощности излучения абсолютно чёрного тела зависит от температуры следующим образом: при увеличении температуры происходит смещение спектральной кривой в коротковолновую область спектра. Измерив спектр излучения чувствительного элемента, представляющего собой модель АЧТ, можно определить температуру ЧЭ.

Датчик относится к классу спектральных датчиков.

Изменение спектра люминесценции или времени затухания люминесценции Суть эффекта состоит в изменении соотношения между спектральными

компонентами излучения люминесценции или времени затухания люминесценции, возбуждённой в оптическом материале, легированном ионами редкоземельных элементов, при воздействии на люминесцирующий материал излучения накачки. Проведя спектральный анализ излучения люминесценции, или измерение его временных характеристик, можно определить величину воздействующего на активную среду измеряемого фактора.

Датчики такого типа относятся к классу спектральных датчиков и могут быть использованы для измерения температуры.

Изменение интенсивностей спектральных компонент рамановского рассеяния Суть эффекта состоит в изменении соотношения между

интенсивностями стоксовой и антистоксовой компонентами рамановского рассеяния, возбуждённого в оптическом материале, при воздействии на оптическую среду излучения накачки. Проведя спектральный анализ рассеянного излучения, можно определить величину воздействующего на активную среду измеряемого фактора. Датчики такого типа относятся к классу спектральных датчиков и могут быть использованы для измерения температуры.

Эффект Допплера Суть эффекта состоит в сдвиге частоты оптической волны, отражённой

или рассеянной от движущейся среды. Величина допплеровского сдвига зависит от скорости движения отражающего объекта, а знак сдвига частоты – от направления движения (“+” при приближении отражателя, “-“ при удалении). Измерив длину волны отражённого излучения, можно определить скорость и направление движения отражателя.

Датчики такого типа относятся к классу спектральных датчиков и могут быть использованы для измерения скорости движения.