Страница: 4/5
Как будет показано ниже, в волоконно-оптических датчиках оптическое волокно может быть применено просто в качестве линии передачи, а может играть роль самого чувствительного элемента датчика. В последнем случае используются чувствительность волокна к электрическому полю (эффект Керра), магнитному полю (эффект Фарадея), к вибрации, температуре, давлению, деформациям (например, к изгибу). Многие из этих эффектов в оптических системах связи оцениваются как недостатки, в датчиках же их появление считается скорее преимуществом, которое следует развивать.
Следует также отметить, что оптические волокна существенно улучшают характеристики устройств, основанных на эффекте Саньяка.
Классификация волоконно-оптических датчиков и примеры их применения
Современные волоконно-оптические датчики позволяют измерять почти все. Например, давление, температуру, расстояние, положение в пространстве, скорость вращения, скорость линейного перемещения, ускорение, колебания, массу, звуковые волны, уровень жидкости, деформацию, коэффициент преломления, электрическое поле, электрический ток, магнитное поле, концентрацию газа, дозу радиационного излучения и т.д.
Если классифицировать волоконно-оптические датчики с точки зрения применения в них оптического волокна, то, как уже было отмечено выше, их можно грубо разделить на датчики, в которых оптическое волокно используется в качестве линии передачи, и датчики, в которых оно используется в качестве чувствительного элемента. Как видно из таблицы 1, в датчиках типа "линии передачи" используются в основном многомодовые оптические волокна, а в датчиках сенсорного типа чаще всего — одномодовые.
Таблица 1. Характеристики волоконно-оптических датчиков
|
Структура |
Измеряемая физическая величина |
Используемое физическое явление, свойство |
Детектируемая величина |
Оптическое волокно |
Параметры и особенности измерений |
|
Датчики с оптическим волокном в качестве линии передачи | |||||
|
Проходящего типа |
Электрическое напряжение, напряженность электрического поля |
Эффект Поккельса |
Составляющая поляризация |
Многомодовое |
1 . 1000B; 0,1 .1000 В/см |
|
Проходящего типа |
Сила электрического тока, напряженность магнитного поля |
Эффект Фарадея |
Угол поляризации |
Многомодовое |
Точность ±1% при 20 .85° С |
|
Проходящего типа |
Температура |
Изменение поглощения полупроводников |
Интенсивность пропускаемого света |
Многомодовое |
-10 .+300° С (точность ±1° С) |
|
Проходящего типа |
Температура |
Изменение постоянной люминесценции |
Интенсивность пропускаемого света |
Многомодовое |
0 .70° С (точность ±0,04° С) |
|
Проходящего типа |
Температура |
Прерывание оптического пути |
Интенсивность пропускаемого света |
Многомодовое |
Режим "вкл/выкл" |
|
Проходящего типа |
Гидроакустическое давление |
Полное отражение |
Интенсивность пропускаемого света |
Многомодовое |
Чувствительность . 10 мПа |
|
Проходящего типа |
Ускорение |
Фотоупругость |
Интенсивность пропускаемого света |
Многомодовое |
Чувствительность около 1 мg |
|
Проходящего типа |
Концентрация газа |
Поглощение |
Интенсивность пропускаемого света |
Многомодовое |
Дистанционное наблюдение на расстоянии до 20 км |
|
Отражательного типа |
Звуковое давление в атмосфере |
Многокомпонентная интерференция |
Интенсивность отраженного света |
Многомодовое |
Чувствительность, характерная для конденсаторного микрофона |
|
Отражательного типа |
Концентрация кислорода в крови |
Изменение спектральной характеристики |
Интенсивность отраженного света |
Пучковое |
Доступ через катетер |
|
Отражательного типа |
Интенсивность СВЧ-излучения |
Изменение коэффициента отражения жидкого кристалла |
Интенсивность отраженного света |
Пучковое |
Неразрушающий контроль |
|
Антенного типа |
Параметры высоковольтных импульсов |
Излучение световода |
Интенсивность пропускаемого света |
Многомодовое |
Длительность фронта до 10 нс |
|
Антенного типа |
Температура |
Инфракрасное излучение |
Интенсивность пропускаемого света |
Инфракрасное |
250 .1200° С (точность ±1%) |
|
Датчики с оптическим волокном в качестве чувствительного элемента | |||||
|
Кольцевой интерферометр |
Скорость вращения |
Эффект Саньяка |
Фаза световой волны |
Одномодовое |
>0,02 °/ч |
|
Кольцевой интерферометр |
Сила электрического тока |
Эффект Фарадея |
Фаза световой волны |
Одномодовое |
Волокно с сохранением поляризации |
|
Интерферометр Маха-Цендера |
Гидроакустическое давление |
Фотоупругость |
Фаза световой волны |
Одномодовое |
1 .100 рад×атм/м |
|
Интерферометр Маха-Цендера |
Сила электрического тока, напряженность магнитного поля |
Магнитострикция |
Фаза световой волны |
Одномодовое |
Чувствительность 10-9 А/м |
|
Интерферометр Маха-Цендера |
Сила электрического тока |
Эффект Джоуля |
Фаза световой волны |
Одномодовое |
Чувствительность 10 мкА |
|
Интерферометр Маха-Цендера |
Ускорение |
Механическое сжатие и растяжение |
Фаза световой волны |
Одномодовое |
1000 рад/g |
|
Интерферометр Фабри-Перо |
Гидроакустическое давление |
Фотоупругость |
Фаза световой волны (полиинтерференция) |
Одномодовое |
— |
|
Интерферометр Фабри-Перо |
Температура |
Тепловое сжатие и расширение |
Фаза световой волны (полиинтерференция) |
Одномодовое |
Высокая чувствительность |
|
Интерферометр Фабри-Перо |
Спектр излучения |
Волновая фильтрация |
Интенсивность пропускаемого света |
Одномодовое |
Высокая разрешающая способность |
|
Интерферометр Майкельсона |
Пульс, скорость потока крови |
Эффект Доплера |
Частота биений |
Одномодовое, многомодовое |
10-4 .108 м/с |
|
Интерферометр на основе мод с ортогональной поляризацией |
Гидроакустическое давление |
Фотоупругость |
Фаза световой волны |
С сохранением поляризации |
Без опорного оптического волокна |
|
Интерферометр на основе мод с ортогональной поляризацией |
Напряженность магнитного поля |
Магнитострикция |
Фаза световой волны |
С сохранением поляризации |
Без опорного оптического волокна |
|
Неинтерферометрическая |
Гидроакустическое давление |
Потери на микроизгибах волокна |
Интенсивность пропускаемого света |
Многомодовое |
Чувствительность 100 мПа |
|
Неинтерферометрическая |
Сила электрического тока, напряженность магнитного поля |
Эффект Фарадея |
Угол поляризации |
Одномодовое |
Необходимо учитывать ортогональные моды |
|
Неинтерферометрическая |
Скорость потока |
Колебания волокна |
Соотношение интенсивности между двумя модами |
Одномодовое, многомодовое |
>0,3 м/с |
|
Неинтерферометрическая |
Доза радиоактивного излучения |
Формирование центра окрашивания |
Интенсивность пропускаемого света |
Многомодовое |
0,01 .1,00 Мрад |
|
Последовательного и параллельного типа |
Распределение температуры и деформации |
Обратное рассеяние Релея |
Интенсивность обратного рассеяния Релея |
Многомодовое |
Разрешающая способность 1 м |
Реферат опубликован: 29/09/2009