12.5. Волоконно-оптичні датчики

Розробка волоконних світловодів відкриває широкі можливості розвитку нових методів виміру різних фізичних величин. Світловолокно може використовуватися насамперед для передачі оптичного сигналу, що несе інформацію про вимірювану величину. Хоча при цьому світловод відіграє пасивну роль, його використання дає цілий ряд істотних переваг: виключається вплив зовнішніх електромагнітних впливів, забезпечуються високі волого- і теплостійкість, хімічна інертність, можливість роботи у важкодоступних місцях, вибухонебезпечних середовищах, простота і гнучкість вимірювальних методик та ін. Найпростіший приклад подібного використання – оптичний волоконний лічильник яких-небудь предметів, заснований на перериванні світлового променя (рис. 12.7, а). Такий пристрій, що являє собою, власне кажучи, довгий оптрон з відкритим оптичним каналом, може застосовуватися при відповідній модифікації вимірювальної схеми як датчик наявності рідини, стану поверхні предмета, швидкості його обертання, частоти коливань, просторового положення об’єкта (наприклад, високовольтного вимикача, при автоматичному зважуванні) і т. п. Якщо зазор у розриві світловолокна зробити малим, один кінець жорстко закріпити, а інший встановити на потрібну деталь, то інтенсивність світла, що переходить з одного волокна в інший, виявиться чутливою до бічного зсуву деталі.

Рис. 12.7 – Приклади найпростіших волоконно-оптичних датчиків: на основі відкритого оптрона (а), для виміру густини рідини (б) і тиску (в)

Наносячи на торець волокна люмінесцентну речовину і використовуючи температурну залежність інтенсивності (чи спектра) світіння, можна вимірювати температуру в заданій області (наприклад, у важкодоступних місцях і т. п.). Випромінювання, що збуджує лю-

144

мінесценцію, подають тим самим волокном, але в іншій спектральній області. Діапазон вимірюваних температур визначається типом люмінофора (наприклад, 220...470 К для Gd2O2S:Eu). Для виміру високих температур на торець світловоду наносять як первинний датчик тонкоплівкове покриття (іридій, оксид алюмінію), що виконує роль чорного тіла, а його випромінювання, як і фотолюмінесценцію, реєструють фотодетектором.

У волоконно-оптичних датчиках абсорбційного типу використовується температурна залежність оптичного пропускання нанесеного на торець волокна шару рідкого кристала, термохромного матеріалу. Високу точність визначення температури забезпечують диференціальні методи, для чого вимірювання пропускання роблять на двох довжинах хвиль.

Робота волоконно-оптичного датчика може ґрунтуватися на явищах, що відбуваються на границі розділу серцевини волокна з оболонкою і зовнішнім середовищем. Якщо, наприклад, кінець світловолокна з дзеркальним торцем помістити в рідину, то при зміні температури зміниться різниця показників заломлення серцевини і рідини, а значить і коефіцієнт відбивання світла від торця світловоду. Порівнюючи інтенсивність відбитого світла з тим, що надходить на фотодетектор безпосередньо від джерела (світлодіода), можна домогтися високої точності вимірювання температури (не гірше 0,1 К). Зрозуміло, за значенням коефіцієнта відбиття від торця світловоду можна визначати і абсолютне значення показника заломлення речовини, в яку занурений кінець світловоду (волоконно-оптичний рефрактометр).

Помітно впливають на проходження світла умови на бічній поверхні світловолокна, особливо якщо з нього зняти оболонку. Відрізок світловолокна успішно застосовують для вимірювання рівня рідини: по мірі занурення світловоду в рідину змінюється довжина волокна, що контактує з рідиною, а її показник заломлення звичайно помітно більший ніж повітря. Ділянка світловолокна, покрита паладієм, є датчиком наявності водню, що міститься в газовій суміші. При взаємодії з воднем шар паладію розширюється, у результаті чого виникає додатковий зсув фази переданого волокном оптичного сигналу. Зсув фази визначають методом порівняння з опорним сигналом, що пройшов таке саме світловолокно, але не покрите паладієм.

Відрізок світловолокна, вигнутого, як показано на рисунку 12.7, б, причому необов’язково звільненого від оболонки, може слугувати датчиком тиску. Форма вигину петлі (яка може бути мініатюрною) залежить від тиску в навколишньому середовищі, тобто, зміна тиску

145

обов’язково вплине на інтенсивність світла, що проходить петлею. За допомогою такого датчика можна визначити також густину рідини, наприклад, електроліту в кислотному акумуляторі, а це, у свою чергу, надає інформацію про ступінь його зарядженості. Досвід показує, що інтенсивність світла, що пройшло через петлю, в робочому інтервалі зміни густини електроліту змінюється в кілька разів, тобто досить помітно для точних вимірів.

Для реєстрації низьких тисків світловолокно встановлюють у пристрій, щодозволяє створюватимікровигини, щочергуються (рис. 12.7, в). Оптичні втрати на вигинах волокна зростають при збільшенні тиску, що дозволяє реєструвати досить малі його зміни (до 10–4...10–5 Па). Подібний пристрій може слугувати також високочутливим датчиком акустичних коливань.

Дія волоконного датчика може ґрунтуватися на процесах, що відбуваються в самому матеріалі волокна. Оптичні втрати у волокні зростають, зокрема, у результаті дії іонізуючих випромінювань, що використовується для виміру накопиченої (поглиненої) дози рентгенівського чи γ-випромінювання. Доза в 1 рад зменшує пропускання скловолокна на сотні децибелів, що дозволяє вимірювати малі дози опромінення. Відпал відновлює властивості волокна і його знову можна використовувати для вимірювань. Полімерне світловолокно, леговане ароматичними сполуками, саме є сцинтилятором, тому, реєструючи збуджені у волокні спалахи, можна визначати характеристики іонізуючого випромінювання (інтенсивність, енергію та ін.). В основі роботи волоконно-оптичного датчика може бути також явище Черенкова – Вавилова – релятивістський ефект, що полягає у виникненні світіння в речовині (у даному світоволокні) при проходженні крізь нього заряджених часток з швидкістю, що перевищує швидкість світла в цій речовині.

Кварцове волокно, леговане рідкоземельними елементами (неодимом, европієм та ін.), люмінесцує при освітленні його короткохвильовим ультрафіолетовим випромінюванням. Явище температурного гасіння такої люмінесценції дозволяє досить точно вимірювати температуру навколишнього середовища в інтервалі 300...500 К. Можна, нарешті, використовувати теплове випромінювання світловолокна. Для високотемпературної області аж до 2000...2200 К світловод виготовляють у вигляді тонкого волокна із сапфіру. Усі волоконно-оптичні датчики температури особливі тим, що мають незначну теплоємність і теплопровідність, малі постійні часу, високу чутливість, хімічно інертні, у багатьох випадках незамінні при вимірах усередині порожнин, у тканинах і т.п.

146

Для реєстрації реакції волоконно-оптичного датчика на той чи інший вплив у багатьох випадках використовують інтерференційні схеми, що найчастіше забезпечують високу чутливість і стабільність роботи вимірювальної системи. Пояснимо роботу датчика механічних навантажень. Один із двох однакових відрізків волокна з дзеркальними торцями приклеюють до потрібного елемента конструкції, а інший залишають ненавантаженим. Обидва світловолокна живляться від того самого джерела когерентного світла. Зміна довжини “вимірювального” волокна викликає додатковий зсув фаз відносно променя, який пройшов “еталонним” волокном, що відбивається на результаті додавання обох променів, і на сигналі, який реєструє фотодетектор. Розглянуту оптичну схему можна пристосувати для виміру напруженості магнітного поля, прикріпивши вимірювальний відрізок світловолокна до пластини з магнітострикційного матеріалу. Під дією магнітного поля розміри пластини разом з довжиною волокна змінюються, що і зареєструється фотодетектором.

Для виміру електричних напруг світловолокно прикріплюють до пластини з п’єзоелектричного матеріалу, що деформується при розміщенні її в електричному полі. Якщо до п’єзоелектричного елемента прикріпити контакти, то величину прикладеної до них електричної напруги можна визначити, виходячи зі зміни фази світлового пучка, що проходить через волокно.

Самостійний інтерес представляють волоконно-оптичні гіроскопи, призначені для виміру кутових швидкостей і кутів повороту. Такі пристрої, на відміну від механічних гіроскопів, які використовуються для навігації і стабілізації рухомих об’єктів, не містять швидкообертових масивних маховиків. Дія волоконно-оптичного гіроскопа ґрунтується на явищах, аналогічних тим, що відбуваються в оптичних (квантових) гіроскопах. Чутливим елементом оптичного гіроскопа є кільцевий лазер, відкритий резонатор якого утворено не двома дзеркалами, спрямованими назустріч один одному, а трьома чи більше, змонтованими на твердій основі, так що світлові промені поширюються по замкнутому контуру. При обертанні приладу навколо осі, перпендикулярній до площини контуру, між біжучими назустріч одна одній хвилями виникає різниця фаз пропорційна швидкості обертання

(ефект Саньяка).

У волоконно-оптичному гіроскопі замкнутий контур створюється за допомогою світловолокна. На обидва його кінці випромінювання лазерного чи суперлюмінесцентного діода посилають за допомогою світлоподільника. Після проходження світловолокна обидва промені потрапляють на фотодетектор і на схему реєстрації. З вимі-

147

ряної різниці фаз знаходять миттєву швидкість обертання об’єкта, на якому закріплений контур; інтегруючи сигнал, одержують кут повороту і т. д. Використовуючи, наприклад, добове обертання Землі, визначають широту місцевості. Сигнал, знятий з детектора, можна використовувати для керування об’єктом, що рухається.

Волоконно-оптичні гіроскопи мають явні переваги в порівнянні з механічними: малі габарити і вагу (особливо при сполученні світловолокна з інтегрально-оптичною схемою), високу надійність, працездатність в умовах високих механічних навантажень, практично миттєву готовність до роботи, простоту технології і низьку вартість, незначне споживання енергії, нарешті, високу чутливість за рахунок використання багатовиткових котушок світловолокна (десяті чи соті частки градуса в годину і менше).

Ми бачимо, що використання інтегральної і волоконної оптики дозволяє перевести обробку і передачу інформації на якісно інший рівень, вирішувати багато науково-технічних задач з нових позицій.

Інші питання побудови і застосування оптоелектронних датчиків описано в [6].

Наприкінці лекції хотілось зазначити, що сучасна волоконна оптика досягла досить високого розвитку і відокремилась від оптоелектроніки в окрему галузь, тому вивчається на інших спеціальностях як окремий предмет “Волоконно-оптичні системи передачі інформації”. Тут більше уваги приділено питанням розповсюдження світлового променя уздовж хвилеводу на основі теорії Максвелла, розповсюдження хвиль уздовж хвилеводів різної структури, проблемам побудови аналогових і цифрових систем передачі тощо, які не охоплює курс оптоелектроніки.

148