4.7. Волоконно-оптические датчики

Разработка волоконных световодов открывает широкие возможности развития новых методов измерения различных физических величин.

Подпись: Рис. 4.16. Примеры волоконно-оптических датчиков на ос¬нове открытого оптрона (а), для измерения пло¬тности жидкости  (б) и давления (в)

Световолокно может использоваться прежде всего для передачи оптического сигнала, несущего информацию об измеряемой величине. Хотя при этом световод играет пассивную роль, его использование дает целый ряд существенных, в каких-то случаях — определяющих преимуществ: исключается влияние внешних электромагнитных помех, обеспечиваются высокие влаго- и теплостойкость, химическая инертность, возможность работы в труднодоступных местах, взрывоопасных средах (отсутствие искрения), простота и гибкость измерительных методик и др. Простейший пример подобного использования оптического волокна—счетчик каких-либо предметов, основанный на прерывании светового луча (рис. 4.16, а). Такое устройство, представляющее собой по существу длинный оптрон с открытым оптическим каналом, может применяться при соответствующей модификации измерительной схемы в качестве датчика наличия жидкости, состояния поверхности предмета, скорости его вращения, частоты колебаний, пространственного положения объекта (например, высоковольтного включателя, при автоматическом взвешивании) и т. п. Если зазор в разрыве световолокна сделать малым, один конец жестко закрепить, а другой установить на нужную деталь, то интенсивность света, переходящего из одного волокна в другое, окажется чувствительной к боковому смещению детали.

Нанося на торец волокна люминесцирующее вещество и используя температурную зависимость интенсивности (или спектра) свечения, можно измерять температуру в заданной области (например, в трудно доступных местах и т. п.). Излучение, возбуждающее люминесценцию, подают по тому же волокну, но в другой спектральной области. Диапазон измеряемых температур определяется типом люминофора (например, 220—470 К для Gd2O2S:Eu). Для измерения высоких температур на торец световода наносят в качестве первичного датчика тонкопленочное покрытие (иридий, оксид алюминия или др.), выполняющее роль черного тела, а его излучение, как и фотолюминесценции, регистрируют фотодетектором.

В волоконно-оптических датчиках абсорбционного типа используется температурная зависимость оптического пропускания нанесенного на торец волокна слоя жидкого кристалла, термохромного материала или полупроводника. Высокую точность определения температуры обеспечивают дифференциальные методы, для чего измерение пропускания производят на двух длинах волн.

Работа волоконно-оптического датчика может основываться на явлениях, происходящих на границе раздела сердцевины волокна с оболочкой или внешней средой. Если, например, конец световолокна с зеркальным торцом поместить в жидкость, то при изменении температуры изменится разница показателей преломления сердцевины и жидкости, а значит, и коэффициент отражения света от торца световода. Сравнивая интенсивность отраженного света с поступающим на фотодетектор непосредственно от источника (светодиода), можно добиться высокой точности измерений температуры (не хуже 0,1 К). Разумеется, по значению коэффициента отражения от торца световода можно определять и абсолютное значение показателя преломления вещества, в которое погружен конец световода (волоконно-оптический рефрактометр).

Заметное влияние на прохождение света оказывают условия на боковой поверхности световолокна, особенно если с него снять оболочку. Отрезок световолокна успешно применяют для измерения уровня жидкости: по мере погружения световода в жидкость изменяется длина волокна, контактирующая с жидкостью, а ее показатель преломления обычно заметно больше, чем воздуха. Участок световолокна, покрытый палладием, является датчиком наличия водорода, содержащегося в газовой смеси. При взаимодействии с водородом слой палладия расширяется, в результате чего возникает дополнительный сдвиг фазы передаваемого по волокну оптического сигнала. Сдвиг фазы определяют методом сравнения с опорным сигналом, прошедшим такое же световолокно, но не покрытое палладием.

Отрезок световолокна, изогнутого, как показано на рис. 4.16, б, причем не обязательно освобожденного от оболочки, может служить датчиком давления. Форма изгиба петли (которая может быть миниатюрной) зависит от давления в окружающей ее среде, значит, изменение давления обязательно повлияет на интенсивность проходящего через петлю света. При помощи такого датчика можно определить также плотность жидкости, например электролита в кислотном аккумуляторе, а это, в свою очередь, дает информацию о степени его заряженности. Опыт показывает, что интенсивность света, прошедшего через петлю, в рабочем интервале изменения плотности электролита изменяется в несколько раз, т. е. достаточно сильно для точных измерений.

Для регистрации низких давлений световолокно устанавливают в устройство, позволяющее создавать чередующиеся микроизгибы (рис. 4.16, в). Оптические потери на изгибах волокна возрастают при увеличении давления, что позволяет регистрировать довольно малые его изменения (до 10–4—10–5Па). Подобное устройство может служить также высокочувствительным датчиком акустических колебаний.

Действие волоконного датчика может основываться на процессах, происходящих в самом материале волокна. Оптические потери в волокне возрастают, в частности, в результате действия ионизирующих излучений, что используется для измерения накопленной (поглощенной) дозы рентгеновского или γ-излучений. Доза в 1 рад уменьшает пропускание стекловолокна на сотни децибел, что позволяет измерять малые дозы облучения. Отжиг восстанавливает свойства волокна, и его снова можно использовать для измерений. Полимерное световолокно, легированное ароматическими соединениями, само является сцинтиллятором, поэтому, регистрируя возбуждаемые в волокне вспышки, можно определять характеристики ионизирующего излучения (интенсивность, энергию и др.). В основе работы волоконно-оптического датчика может лежать также явление Черепкова Вавилова — релятивистский эффект, состоящий в возникновении свечения в веществе (в данном случае—в световолокне) при прохождении через него заряженных частиц со скоростью, превышающей скорость света в этом веществе.

Подпись: Рис. 4.17. Принципиальная оптическая схема измерения удлине¬ния волокна (а) и схема волоконно-оптического гиро¬скопа  (б):
СД—светоделитель, ФД–фотодетектор, ЭСВ и ИСВ—эта¬лонный и изме-рительный отрезки световолокна, СВК—световолоконная катушка

Кварцевое волокно, легированное редкоземельными элементами (неодимом, европием и др.), люминесцирует при освещении его коротковолновым ультрафиолетовым излучением. Явление температурного тушения такой люминесценции позволяет довольно точно измерять температуру окружающей среды в интервале 300—500 К. Можно, наконец, использовать тепловое излучение световолокна. Для высокотемпературной области вплоть до 2000—2200 К световод изготовляют в виде тонкого волокна из сапфира. Все волоконно-оптические датчики температуры ценны тем, что имеют ничтожную теплоемкость и теплопроводность, малые постоянные времени, высокую чувствительность, химически инертны, во многих случаях незаменимы при измерениях внутри полостей, в тканях и т. п.

Для регистрации отклика волоконно-оптического датчика на то или иное воздействие во многих случаях используют интерференционные схемы, что зачастую и обеспечивает высокую чувствительность и стабильность работы измерительной системы. Рис. 4.17, а поясняет работу датчика механических нагрузок, которые испытывает какая-либо конструкция. Один из двух одинаковых отрезков волокна с зеркальными торцами приклеивают к нужному элементу конструкции, а другой оставляют ненагруженным. Оба световолокна «питаются» от одного и того же источника когерентного света. Изменение длины «измерительного» волокна вызывает дополнительный сдвиг фаз по отношению к лучу, прошедшему по «эталонному» волокну, что отражается на результате сложения обоих лучей, а значит, и на сигнале, регистрируемом фотодетектором. Рассматриваемую оптическую схему можно приспособить для измерения напряженности магнитного поля, прикрепив измерительный отрезок световолокна к пластине из магнитострикционного материала. Под действием магнитного поля размеры пластины вместе с длиной волокна изменяются, что и зарегистрируется фотодетектором. Аналогичный результат получается, если на поверхность световолокна нанести покрытие из магнитострикционного материала. Изменить длину такого световолокна можно, поместив его в небольшой соленоид с током. Такое устройство используют для измерения электрического тока. Для измерения напряженности магнитного поля и электрического тока можно обойтись и без магнитострикционных преобразователей, а используя вращение плоскости поляризации световой волны в самом волокне (эффект Фарадея). Для увеличения чувствительности датчика стекловолокно легируют парамагнитными элементами, что наряду с возрастанием постоянной Верде приводит к уменьшению прозрачности световода.

Для измерения электрических напряжений световолокно прикрепляют к пластине из пьезоэлектрического материала, деформирующейся при помещении ее в электрическое поле. Если пьезоэлектрический элемент снабдить контактами, то о приложенном к ним электрическом напряжении можно судить по изменению фазы светового пучка, проходящего через волокно.

Стекловолокно, прикрепленное к пластине или стержню с большим коэффициентом теплового расширения, является чувствительным датчиком температуры.

Самостоятельный интерес представляет волоконно-оптические гироскопы, предназначенные для измерения угловых скоростей и углов поворота. Такие устройства в отличие от гироскопов, давно используемых для навигации и стабилизации подвижных объектов, не содержат быстро вращающихся массивных маховиков. Действие волоконно-оптического гироскопа основывается на явлениях, аналогичных происходящим в оптических (квантовых) гироскопах. Чувствительным элементом оптического гироскопа служит так называемый кольцевой лазер, открытый резонатор которого образуется не двумя зеркалами, направленными навстречу друг другу, а тремя или более, смонтированными на жестком основании, так что световые лучи распространяются по замкнутому контуру. При вращении прибора вокруг оси, перпендикулярной плоскости контура, между бегущими навстречу друг другу волнами возникает разность фаз, пропорциональная скорости вращения (эффект Санъяка, открытый в 1913 г.).

В волоконно-оптическом гироскопе замкнутый контур создается при помощи световолокна. На оба его конца излучение лазерного или суперлюминесцентного диода посылают при помощи светоделителя (рис. 4.17, б). После прохождения световолокна оба луча попадают на фотодетектор, а далее—на схему регистрации. Из измеренной разности фаз находят мгновенную скорость вращения объекта, на котором закреплен контур; интегрируя сигнал, получают угол поворота и т. д. Используя, например, суточное вращение Земли, определяют широту местности. Сигнал, снятый с детектора, можно использовать для управления движущимся объектом.

Волоконно-оптические гироскопы имеют явные преимущества по сравнению с механическими: малые габариты и вес (особенно при сочетании световолокна с интегрально-оптической схемой), высокую надежность, работоспособность в условиях высоких механических нагрузок, практически мгновенную готовность к работе, простоту технологии и низкую стоимость, ничтожное потребление энергии, наконец, высокую чувствительность за счет использования многовитковых катушек световолокна (десятые—сотые доли градуса в час и менее).

Мы видим, что использование интегральной и волоконной оптики позволяет перевести обработку и передачу информации на качественно другой уровень, решать многие научно-технические задачи с новых позиций.

Ограниченный объем этой книги не позволяет изложить ряд вопросов интегральной оптики с желаемой теоретической глубиной и вынуждает опустить рассмотрение некоторых эффектов и устройств. Среди них—нелинейные оптические явления, которые особенно важны, так как в микроволноводах достигается огромная плотность световой энергии при умеренной мощности используемых источников излучения (0,1 — 0,01 Вт). Последнее, в частности, делает относительно простым умножение частоты света, получение сверхкоротких импульсов света (длительностью 1 фс=1·10–15 с) и т.п. Эти и другие вопросы освещены в специальной литературе.

Введение в оптоэлектронику


*****

© 2009-2017 Банк лекций siblec.ru
Лекции для преподавателей и студентов. Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки.