Часть 6. Волоконно – оптические датчики (вод).
6.1. Общее введение.
Сенсоризация производственной деятельности, т.е. замена органов чувств человека на сенсоры, должна рассматриваться как третья промышленная революция вслед за первыми двумя – машинно-энергетической и информационно-компьютерной. Помимо высоких метрологических характеристик, датчики должны обладать электромагнитной совместимостью, пожаро и взрывобезопасностью, высокой надежностью, долговечностью, стабильностью, малыми габаритами и массой, и энергопотреблением, совместимостью с микроэлектронными устройствами обработки информации, небольшой стоимостью. Во многом, этим требованиям удовлетворяют волоконно-оптические датчики (ВОД) физических величин, развитие которых в последнее десятилетие носит взрывной характнр.
В конце 19-го века, в основном, сформировалась метрология в ее общем виде. При этом физические величины (в основном, механические и тепловые), измерялись главным образом, механическими средствами. К этому же времени произошла систематизация в области электротехники на основе теории электромагнетизма и цепей переменного тока. В результате этого началось интенсивное развитие электроизмерительных приборов и преобразователей физических величин. Они становятся основой метрологии вплоть до шестидесятых годов 20-го века.
После этого, началось интенсивное развитие электроники (сначала аналоговой, а потом и цифровой), по цепочке развития – электронные лампы – транзисторы – микросхемы – СБИС (сверхбольшие интегральные схемы). Наступила эра электронных измерений. Причем развитие АЦП (аналого-цифровые преобразователи) и микропроцессоров (или РС) позволило использовать для измерений нелинейные первичные преобразователи.
Сейчас наступило время интенсивного развития оптической электроники (оптоэлектроники) и волоконно-оптических технологий как в связи, так и для измерений различных физических величин. Основой этих технологий является изобретение оптического волокна.
Основные причины развития волоконной оптики:
Переход из радиодиапазона в световой диапазон электромагнитных волн позволяет увеличить несущую частоту в 104 – 106 раз, и соответственно, во столько же раз увеличить оьем передаваемой информации (до 1 – 10 Гбит/с).
Замена меди и металлов на кварц и полимеры при производстве кабелей позволяет снизить в несколько раз стоимость соединительных кабелей.
Быстродействие приемо/передающих модулей позволяет реализовать высокие скорости обработки данных (до 560 Мбит/с).
Малые потери (≤ 0,15 дБ/км) оптических волокон позволяют увеличить расстояние между ретрансляторами до 50–100 км
Пожаро и взрывобезопасность, электромагнитная совместимость.
Переход на волоконно-оптическую базу позволяет в 10-100 раз уменьшить массу и длину прокладываемых кабелей, в том числе, из-за эффективного мультиплексирования сигналов (пространственное, временное, спектральное).
6.2. Оптическое волокно – основные свойства.
Оптоэлектроника – область науки, появившаяся на стыке оптики и электроники. Первый изобретенный прибор в этой области, сочетающий электронику и оптику – это оптрон, который часто используется для того, чтобы обеспечить электрическую развязку в электронных цепях. В настоящее время оптоэлектроника превратилась в огромную область науки и техники, соизмеримую с электроникой. Более того, сейчас вместо СБИСов начинают развиваться гибридные приборы, в которых преобразование сигналов происходит с помощью электроники, а передача сигналов – с помощью оптики. Такой гибрид позволяет ускорить обработку сигналов, и будет применяться, в первую очередь, для компьютеров нового поколения.
Основными элементами для оптоэлектроники являются :
Излучатель (полупроводниковый лазер или светодиод),
Фотоприемник ( о нем сказано позже),
Оптическое волокно.
Принцип действия оптического волокна. Оптическое волокно позволяет распространяться свету вдоль него, при этом испытывая очень малое затухание. Это происходит из-за того, что используется двуслойная конструкция оптического волокна – сердечник (или ядро) волокна (обычно, кварц), и оболочка с меньшим показателем преломления. Кроме того, волокно заключено в оплетку, которая защищает поверхность волокна, повышает его прочность, и тем самым, упрощает его эксплуатацию.
Сердечник волокна обычно изготовляется из кварца, легированного германием (а, иногда, азотом). Это делает коэффициент преломления сердечника более высоким, чем коэффициент преломления чистого кварца. Диаметр сердечника волокна может быть разным – от 5 мкм до 50 мкм. Оболочку волокна изготавливают, обычно из чистого кварца. Поэтому ее коэффициент преломления меньше, чем у сердечника. Диаметр оболочки обычно составляет 125 мкм.
Геометрические параметры волокна и показатели преломления сердечника и оболочки подобраны так, что лучи света испытывают полное внутреннее отражение на границе ядра и оболочки волокна. В результате этого, свет распространяется без поглощения вдоль оптического волокна.
Оптическое волокно сверху покрывается защитным покрытием из кремний-органического полимера, которое защищает его от механических повреждений.
Основные характеристики оптического волокна:
Широкополосность (возможно, до нескольких десятков терагерц),
Малые потери (минимальные – 0.154 дБ /км),
Малый диаметр (около 125 мкм),
Малая масса (порядка 30 г/км),
Эластичность (минимальный радиус изгиба – 2 мм),
Механическая прочность ( до 7 кГ – нагрузка на разрыв),
Электромагнитная совместимость ,
Взрывобезопасность и пожаробезопасность,
Отсутствие взаимной интерференции (перекрестных помех),
Электроизоляционная прочность (волокно длиной 20см выдерживает напряжение до 10000 В),
Высокая коррозионная стойкость, особенно к химическим растворителям, маслам, воде.
Одномодовые и многомодовые оптические волокна. Оптические лучи внутри волокна распространяются, многократно испытывая полное отражение. Но распространение этих лучей возможно лишь, когда они проходят под определенными углами. Подобное распространение луча называется модой, и характеризуется тем, что распределение электрического поля света вдоль вертикальной оси волокна представляет собой стоячую волну. При этом в волокне может распространяться или одна мода, или иесколько мод.
Если распространяющихся мод может быть много (десятки и сотни), то такое оптическое волокно называется многомодовым. При этом конструктивно, его сердечник имеет диаметр 50 мкм, а максимальный угол (апертура) входящего света составляет 12 – 15 град. Диаметр оболочки – 125 мкм.
Многомодовое волокно обычно используется для передачи оптического излучения в (или), из сенсора. Его преимуществами являются:
дешевизна,
удобство ввода/вывода оптического излучения из-за большой входной апертуры волокна (12 – 15 град).
Его недостатками (по сравнению с одномодовым волокном, см. ниже), являются:
большее затухание и искажение при передачи сигнала,
меньшая пропускная способность волокна (до 20Мгц*км).
Если распространяется только одна мода в волокне, то такое оптическое волокно называется одномодовым. При этом конструктивно, его сердечник имеет диаметр 5 – 6 мкм, а максимальный угол (апертура) входящего света составляет 4 – 5 град. Диаметр оболочки – 60 - 150 мкм.
Одномодовое волокно может использоваться как для передачи оптического излучения, так и для выполнения самого сенсора.
Его преимуществами являются:
малое затухание ( до 0.15 дБ/км) и искажение сигнала при передачи,
большая пропускная способность волокна (до 4 ГГц*км),
возможность его использования в качестве сенсора.
Его недостатками являются:
высокая стоимость,
сложность организации ввода/вывода оптического излучения, и реализации волоконно-оптических элементов с малыми потерями для него.
Применение одномодовых волокон наиболее перспективно, так как они позволяют организовать сеть волоконно-оптических датчиков с высоким быстродействием.
Излучатель (полупроводниковый лазер или светодиод)
Свойства светодиодов:
Общая ширина спектра составляет от 35 до 90 нм (см. рис. Ниже).
Свет – неполяризованный.
Угловая расходимость излучения, выходящего из
светодиода, составляет порядка 20 – 40 градусов.
Выпускаются светодиоды, сопряженные с оптическим
волокном
Типовые спектры п/п лазера по длинам волн
(для многомодового и одномодового лазера – см. рис. ниже).
Одномодовый лазер излучает линейно поляризованный свет.
Угловая расходимость излучения на выходе лазера составляет 15 – 20 град.
Лазеры выпускаются сопряженными с оптоволокном
Сравнение спектров светодиодов и лазерных диодов.
Фотоприемник
Основные типы применяемых фотодиодов (рис. ниже):
лавинные фотодиоды,
pin - фотодиоды (обычно кремниевые, но могут быть и германиевые).
Кроме оптического волокна, для реализации волоконно-оптических датчиков необходимы и другие компоненты, такие как:
Оптические разьемы, соединители и разветвители, выполненные на базе волоконно-оптической технологии,
Оптические элементы схемы, такие как градиентные и френелевские линзы (граданы, селфоки), зеркала, поляризаторы, выполненные на базе волоконно оптических технологий,
Обьемные диффракционные решетки (Брэгговские решетки) в волоконно оптическом исполнении.
Такие элементы разработаны и выпускаются в настоящее время в достаточно широкой номенклатуре.