Реферат: Лазерные оптико-электронные приборы

Московский ордена Ленина, ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ имени Н.Э.Баумана.

______________________________________________________

Факультет РЛ

Кафедра РЛ2

Реферат по дисциплине

"Лазерные оптико-электронные приборы"

студента

Майорова Павла

Леонидовича, группа РЛ3-101.

Руководитель

Немтинов Владимир Борисович

Тема реферата:

"Оптическая обработка информации"

Вступление

Сенсоризация производственной деятельности, т. е. замена органов чувств человека на датчики, должна рассматриваться в качестве третьей промышленной революции вслед за первыми двумя — машинно-энергетической и информационно-компьютерной. Потребность в датчиках стремительно растет в связи с бурным развитием автоматизированных систем контроля и управления, внедрением новых технологических процессов, переходом к гибким автоматизированным производствам. Помимо высоких метрологических характеристик датчики должны обладать высокой надежностью, долговечностью, стабильностью, малыми габаритами, массой и энергопотреблением, совместимостью с микроэлектронными устройствами обработки информации при низкой трудоемкости изготовления и небольшой стоимости. Этим требованиям в максимальной степени удовлетворяют волоконно-оптические датчики.

Волоконно-оптические датчики

Первые попытки создания датчиков на основе оптических волокон можно отнести к середине 1970-х годов. Публикации о более или менее приемлемых разработках и экспериментальных образцах подобных датчиков появились во второй половине 1970-х годов. Однако считается, что этот тип датчиков сформировался как одно из направлений техники только в начале 1980-х годов.
Тогда же появился и термин "волоконно-оптические датчики" (optical fiber sensors). Таким образом, волоконно-оптические датчики — очень молодая область техники.

От электрических измерений к электронным

Конец X IX века можно считать периодом становления метрологии в ее общем виде. К тому времени произошла определенная систематизация в области электротехники на основе теории электромагнетизма и цепей переменного тока.
До этого физические величины измерялись главным образом механическими средствами, а сами механические измерения распространены были незначительно. Электрические же измерения ограничивались едва ли не исключительно только электростатическими. Можно сказать, что метрология, развиваясь по мере прогресса электротехники, с конца XIX века стала как бы ее родной сестрой.

Рассмотрим этапы и успехи этого развития. В течение нескольких десятков лет, вплоть до второй мировой войны, получили распространение электроизмерительные приборы, принцип работы которых основан на силах взаимодействия электрического тока и магнитного поля (закон Био — Совара).
Тогда же эти приборы внедрялись в быстро развивающуюся промышленность.
Особенность периода в том, что наука и техника, причастные к электроизмерительным приборам, становятся ядром метрологии и измерительной индустрии.

После второй мировой войны значительные успехи в развитии электроники привели к громадным переменам в метрологии. В пятидесятых годах появились осциллографы, содержащие от нескольких десятков до сотни и более электронных ламп и обладающие весьма высокими функциональными возможностями, а также целый ряд подобных устройств, которые стали широко применяться в сфере производства и научных исследований. Так наступила эра электронных измерений. Сегодня, по прошествии 30 лет, значительно изменилась элементная база измерительных приборов. От электронных ламп перешли к транзисторам, интегральным схемам (ИС), большим ИС (БИС). Таким образом, и сегодня электроника является основой измерительной техники.

От аналоговых измерений к цифровым

Однако между электронными измерениями, которые производились в 1950-e годы, и электронными измерениями 1980-х годов большая разница. Суть ее заключается в том, что во многие измерительные приборы введена цифровая техника.

Обычно электронный измерительный прибор имеет структуру, подобную изображенной на рис. 1. Здесь датчик в случае измерения электрической величины (электрический ток или напряжение) особой роли не играет, и довольно часто выходным устройством такого измерителя является индикатор.
Однако при использовании подобного прибора в какой-либо измерительной системе сплошь и рядом приходится сталкиваться с необходимостью обработки сигнала различными электронными схемами. Внедрение цифровой измерительной техники подразумевает в идеале, что цифровой сигнал поступает непосредственно от чувствительного элемента датчика. Но пока это скорее редкость, чем правило. Чаще же всего этот сигнал имеет аналоговую форму, и для него на входе блока обработки данных установлен аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Цифровая же техника используется главным образом в блоке обработки данных и в выходном устройстве (индикаторе) или в одном из них.

[pic]
Рис. 1. Типовая структура электронного измерителя

Основное преимущество использования цифровой техники в процессе обработки данных — это сравнительно простая реализация операций высокого уровня, которые трудно осуществимы с помощью аналоговых устройств. К таким операциям относятся подавление шумов, усреднение, нелинейная обработка, интегральные преобразования и др. При этом функциональная нагрузка на чувствительный элемент датчика уменьшается и снижаются требования к характеристикам элемента. Кроме того, благодаря цифровой обработке становится возможным измерение весьма малых величин.

Цифризация и волоконно-оптические датчики

Важно отметить, что одним из этапов развития волоконно-оптических датчиков было функциональное расширение операций, выполняемых в блоке обработки данных датчика, путем их цифризации и, что особенно существенно, упрощение операций нелинейного типа. Ведь в волоконно-оптических датчиках линейность выходного сигнала относительно измеряемой физической величины довольно часто неудовлетворительна. Благодаря же цифризации обработки эта проблема теперь частично или полностью решается.

Нечего и говорить, что важный стимул появления волоконно-оптических датчиков — создание самих оптических волокон, о которых будет рассказано ниже, а также взрывообразное развитие оптической электроники и волоконно- оптической техники связи.

Становление оптоэлектроники и появление оптических волокон

Лазеры и становление оптоэлектроники

[pic]
Рис. 2. Снижение минимальных потерь передачи для различных типов оптических волокон

Оптоэлектроника — это новая область науки и техники, которая появилась на стыке оптики и электроники. Следует заметить, что в развитии радиотехники с самого начала ХХ века постоянно прослеживалась тенденция освоения электромагнитных волн все более высокой частоты. Вытекающее из этого факта предположение, что однажды радиотехника и электроника достигнут оптического диапазона волн, становится все более и более достоверным, начиная с 1950-х годов. Годом возникновения оптоэлектроники можно считать
1955-й, когда Е. Лоебнер (Loеbner Е. Е. Optoelectronic devices and networks//Proc. 1ЕЕЕ. 1955. V. 43. N 12. Р. 1897 — 1906) описал потенциальные параметры различных оптоэлектронных устройств связи, нынче называемых оптронами, т. е. когда были обсуждены основные характеристики соединения оптического и электронного устройств.

С тех пор оптоэлектроника непрерывно развивается, и полагают, что до конца ХХ века она превратится в огромную отрасль науки и техники, соизмеримую с электроникой. Появление в начале 1960-х годов лазеров способствовало ускорению развития оптоэлектроники. Потенциальные характеристики лазеров описаны еще в 1958 г., а уже в 1960 г. был создан самый первый лазер — газовый, на основе смеси гелия и неона. Генерирующие непрерывное излучение при комнатной температуре полупроводниковые лазеры, которые в настоящее время получили наиболее широкое применение, стали выпускаться с 1970 г.

Появление оптических волокон

Важным моментом в развитии оптоэлектроники является создание оптических волокон. Особенно интенсивными исследования стали в конце 1960-x годов, а разработка в 1970 г. американской фирмой "Корнинг" кварцевого волокна с малым затуханием (20 дБ/км) явилась эпохальным событием и послужила стимулом для увеличения темпов исследований и разработок на все
1970-е годы.

На рис. 2 показано снижение минимальных потерь передачи для различных оптических волокон на протяжении минувших десяти с лишним лет. Можно заметить, что для кварцевых оптических волокон потери за 10 лет (в 1970-е годы) уменьшились примерно на два порядка.

Изначальной и главной целью разработки оптических волокон было обеспечение ими оптических систем связи. Тем не менее в 1970-е годы, когда в технике оптических волокон применительно к оптическим системам связи были достигнуты уже значительные успехи, влияние волокон на развитие волоконно- оптических датчиков, о которых пойдет речь в этой книге, оказалось несколько неожиданным.

Одно- и многомодовые оптические волокна.

[pic]
Рис. 3. Одномодовое (а) и многомодовое (б) оптическое волокно
Оптическое волокно обычно бывает одного из двух типов: одномодовое, в котором распространяется только одна мода (тип распределения передаваемого электромагнитного поля), и многомодовое — с передачей множества (около сотни) мод. Конструктивно эти типы волокон различаются только диаметром сердечника — световедущей части, внутри которой коэффициент преломления чуть выше, чем в периферийной части — оболочке (рис. 3).

В технике используются как многомодовые, так и одномодовые оптические волокна. Многомодовые волокна имеют большой (примерно 50 мкм) диаметр сердечника, что облегчает их соединение друг с другом. Но поскольку групповая скорость света для каждой моды различна, то при передаче узкого светового импульса происходит его расширение (увеличение дисперсии). По сравнению с многомодовыми у одномодовых волокон преимущества и недостатки меняются местами: дисперсия уменьшается, но малый (5...10 мкм) диаметр сердечника значительно затрудняет соединение волокон этого типа и введение в них светового луча лазера.

Вследствие этого одномодовые оптические волокна нашли преимущественное применение в линиях связи, требующих высокой скорости передачи информации
(линии верхнего ранга в иерархической структуре линий связи), а многомодовые чаще всего используются в линиях связи со сравнительно невысокой скоростью передачи информации. Имеются так называемые когерентные волоконно-оптические линии связи, где пригодны только одномодовые волокна.
В многомодовом оптическом волокне когерентность принимаемых световых волн падает, поэтому его использование в когерентных линиях связи непрактично, что и предопределило применение в подобных линиях только одномодовых оптических волокон.

Напротив, хотя при использовании оптических волокон для датчиков вышеуказанные факторы тоже имеют место, но во многих случаях их роль уже иная. В частности, при использовании оптических волокон для когерентных измерений, когда из этих волокон формируется интерферометр, важным преимуществом одномодовых волокон является возможность передачи информации о фазе оптической волны, что неосуществимо с помощью многомодовых волокон.
Следовательно, в данном случае необходимо только одномодовое оптическое волокно, как и в когерентных линиях связи. Тем не менее, на практике применение одномодового оптического волокна при измерении нетипично из-за небольшой его дисперсии. Короче говоря, в сенсорной оптоэлектронике, за исключением датчиков-интерферометров, используются многомодовые оптические волокна. Это обстоятельство объясняется еще и тем, что в датчиках длина используемых оптических волокон значительно меньше, чем в системах оптической связи.

Характеристики оптического волокна как структурного элемента датчика и систем связи

Прежде чем оценивать значимость этих характеристик для обеих областей применения, отметим общие достоинства оптических волокон:

. широкополосность (предполагается до нескольких десятков терагерц);

. малые потери (минимальные 0,154 дБ/км);

. малый (около 125 мкм) диаметр;

. малая (приблизительно 30 г/км) масса;

. эластичность (минимальный радиус изгиба 2 MM);

. механическая прочность (выдерживает нагрузку на разрыв примерно 7 кг);

. отсутствие взаимной интерференции (перекрестных помех типа известных в телефонии "переходных разговоров");

. безындукционность (практически отсутствует влияние электромагнитной индукции, а следовательно, и отрицательные явления, связанные с грозовыми разрядами, близостью к линии электропередачи, импульсами тока в силовой сети);

. взрывобезопасность (гарантируется абсолютной неспособностью волокна быть причиной искры);

. высокая электроизоляционная прочность (например, волокно длиной 20 см выдерживает напряжение до 10000 B);

. высокая коррозионная стойкость, особенно к химическим растворителям, маслам, воде.

В области оптической связи наиболее важны такие достоинства волокна, как широкополосность и малые потери, причем в строительстве внутригородских сетей связи наряду с этими свойствами особое значение приобретают малый диаметр и отсутствие взаимной интерференции, а в электрически неблагоприятной окружающей среде — безындукционность. Последние же три свойства в большинстве случаев здесь не играют какой-либо заметной роли.

В практике использования волоконно-оптических датчиков имеют наибольшее значение последние четыре свойства. Достаточно полезны и такие свойства, как эластичность, малые диаметр и масса. Широкополосность же и малые потери значительно повышают возможности оптических волокон, но далеко не всегда эти преимущества осознаются разработчиками датчиков. Однако, с современной точки зрения, по мере расширения функциональных возможностей волоконно-оптических датчиков в ближайшем будущем эта ситуация понемногу исправится.

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 |Используемое |Детектируемая |Оптическое |Параметры и |
| |физическая |физическое |величина |волокно |особенности |
| |величина |явление, свойство| | |измерений |
|Датчики с оптическим волокном в качестве линии передачи |
|Проходящего типа |Электрическое |Эффект Поккельса |Составляющая |Многомодовое |1... 1000B; |
| |напряжение, | |поляризация | |0,1...1000 В/см |
| |напряженность | | | | |
| |электрического | | | | |
| |поля | | | | |
|Проходящего типа |Сила |Эффект Фарадея |Угол поляризации |Многомодовое |Точность (1% при |
| |электрического | | | |20...85( С |
| |тока, | | | | |
| |напряженность | | | | |
| |магнитного поля | | | | |
|Проходящего типа |Температура |Изменение |Интенсивность |Многомодовое |-10...+300( С |
| | |поглощения |пропускаемого | |(точность (1( С) |
| | |полупроводников |света | | |
|Проходящего типа |Температура |Изменение |Интенсивность |Многомодовое |0...70( С |
| | |постоянной |пропускаемого | |(точность (0,04( |
| | |люминесценции |света | |С) |
|Проходящего типа |Температура |Прерывание |Интенсивность |Многомодовое |Режим "вкл/выкл" |
| | |оптического пути |пропускаемого | | |
| | | |света | | |
|Проходящего типа |Гидроакустическое|Полное отражение |Интенсивность |Многомодовое |Чувствительность |
| |давление | |пропускаемого | |... 10 мПа |
| | | |света | | |
|Проходящего типа |Ускорение |Фотоупругость |Интенсивность |Многомодовое |Чувствительность |
| | | |пропускаемого | |около 1 мg |
| | | |света | | |
|Проходящего типа |Концентрация газа|Поглощение |Интенсивность |Многомодовое |Дистанционное |
| | | |пропускаемого | |наблюдение на |
| | | |света | |расстоянии до 20 |
| | | | | |км |
|Отражательного |Звуковое давление|Многокомпонентная|Интенсивность |Многомодовое |Чувствительность,|
|типа |в атмосфере |интерференция |отраженного света| |характерная для |
| | | | | |конденсаторного |
| | | | | |микрофона |
|Отражательного |Концентрация |Изменение |Интенсивность |Пучковое |Доступ через |
|типа |кислорода в крови|спектральной |отраженного света| |катетер |
| | |характеристики | | | |
|Отражательного |Интенсивность |Изменение |Интенсивность |Пучковое |Неразрушающий |
|типа |СВЧ-излучения |коэффициента |отраженного света| |контроль |
| | |отражения жидкого| | | |
| | |кристалла | | | |
|Антенного типа |Параметры |Излучение |Интенсивность |Многомодовое |Длительность |
| |высоковольтных |световода |пропускаемого | |фронта до 10 нс |
| |импульсов | |света | | |
|Антенного типа |Температура |Инфракрасное |Интенсивность |Инфракрасное |250...1200( С |
| | |излучение |пропускаемого | |(точность (1%) |
| | | |света | | |
|Датчики с оптическим волокном в качестве чувствительного элемента |
|Кольцевой |Скорость вращения|Эффект Саньяка |Фаза световой |Одномодовое |>0,02 (/ч |
|интерферометр | | |волны | | |
|Кольцевой |Сила |Эффект Фарадея |Фаза световой |Одномодовое |Волокно с |
|интерферометр |электрического | |волны | |сохранением |
| |тока | | | |поляризации |
|Интерферометр |Гидроакустическое|Фотоупругость |Фаза световой |Одномодовое |1...100 рад(атм/м|
|Маха-Цендера |давление | |волны | | |
|Интерферометр |Сила |Магнитострикция |Фаза световой |Одномодовое |Чувствительность |
|Маха-Цендера |электрического | |волны | |10-9 А/м |
| |тока, | | | | |
| |напряженность | | | | |
| |магнитного поля | | | | |
|Интерферометр |Сила |Эффект Джоуля |Фаза световой |Одномодовое |Чувствительность |
|Маха-Цендера |электрического | |волны | |10 мкА |
| |тока | | | | |
|Интерферометр |Ускорение |Механическое |Фаза световой |Одномодовое |1000 рад/g |
|Маха-Цендера | |сжатие и |волны | | |
| | |растяжение | | | |
|Интерферометр |Гидроакустическое|Фотоупругость |Фаза световой |Одномодовое |— |
|Фабри-Перо |давление | |волны | | |
| | | |(полиинтерференци| | |
| | | |я) | | |
|Интерферометр |Температура |Тепловое сжатие и|Фаза световой |Одномодовое |Высокая |
|Фабри-Перо | |расширение |волны | |чувствительность |
| | | |(полиинтерференци| | |
| | | |я) | | |
|Интерферометр |Спектр излучения |Волновая |Интенсивность |Одномодовое |Высокая |
|Фабри-Перо | |фильтрация |пропускаемого | |разрешающая |
| | | |света | |способность |
|Интерферометр |Пульс, скорость |Эффект Доплера |Частота биений |Одномодовое, |10-4...108 м/с |
|Майкельсона |потока крови | | |многомодовое | |
|Интерферометр на |Гидроакустическое|Фотоупругость |Фаза световой |С сохранением |Без опорного |
|основе мод с |давление | |волны |поляризации |оптического |
|ортогональной | | | | |волокна |
|поляризацией | | | | | |
|Интерферометр на |Напряженность |Магнитострикция |Фаза световой |С сохранением |Без опорного |
|основе мод с |магнитного поля | |волны |поляризации |оптического |
|ортогональной | | | | |волокна |
|поляризацией | | | | | |
|Неинтерферометрич|Гидроакустическое|Потери на |Интенсивность |Многомодовое |Чувствительность |
|еская |давление |микроизгибах |пропускаемого | |100 мПа |
| | |волокна |света | | |
|Неинтерферометрич|Сила |Эффект Фарадея |Угол поляризации |Одномодовое |Необходимо |
|еская |электрического | | | |учитывать |
| |тока, | | | |ортогональные |
| |напряженность | | | |моды |
| |магнитного поля | | | | |
|Неинтерферометрич|Скорость потока |Колебания волокна|Соотношение |Одномодовое, |>0,3 м/с |
|еская | | |интенсивности |многомодовое | |
| | | |между двумя | | |
| | | |модами | | |
|Неинтерферометрич|Доза |Формирование |Интенсивность |Многомодовое |0,01...1,00 Мрад |
|еская |радиоактивного |центра |пропускаемого | | |
| |излучения |окрашивания |света | | |
|Последовательного|Распределение |Обратное |Интенсивность |Многомодовое |Разрешающая |
|и параллельного |температуры и |рассеяние Релея |обратного | |способность 1 м |
|типа |деформации | |рассеяния Релея | | |

|[pic] |Рис. 5. | |[pic] |Рис. 7. |
| |Волоконно-опти| | |Волоконно-оптиче|
| |ческий датчик | | |ский датчик |
| |проходящего | | |антенного типа. |
| |типа. | | | |

|[pic] |Рис. 6. |
| |Волоконно-оптиче|
| |ский датчик |
| |отражательного |
| |типа. |

Краткая история исследований и разработок

В истории волоконно-оптических датчиков трудно зафиксировать какой- либо начальный момент, в отличие от истории волоконно-оптических линий связи. Первые публикации о проектах и экспериментах с измерительной техникой, в которой использовалось бы оптическое волокно, начали появляться с 1973 г., а во второй половине 1970-х годов их число значительно увеличилось. В 1978 году Нэмото Тосио предложил общую классификацию волоконно-оптических датчиков (рис. 4.), которая мало отличается от современной. С наступлением 1980-х годов история развития волоконно- оптических датчиков обрастает значительными подробностями.

Заключение

|[pic] |Рис.4. Классификация|
| |основных структур |
| |волоконно-оптических|
| |датчиков: |
| |а) с изменением |
| |характеристик |
| |волокна (в том числе|
| |специальных волокон)|
| | |
| |б) с изменением |
| |параметров |
| |передаваемого света |
| |в) с чувствительным |
| |элементом на торце |
| |волокна |

Основными элементами волоконно-оптического датчика, как можно заметить из табл. 1, являются оптическое волокно, светоизлучающие (источник света) и светоприемные устройства, оптический чувствительный элемент. Кроме того, специальные линии необходимы для связи между этими элементами или для формирования измерительной системы с датчиком. Далее, для практического внедрения волоконно-оптических датчиков необходимы элементы системной техники, которые в совокупности с вышеуказанными элементами и линией связи образуют измерительную систему.

Список литературы

Окоси Т. и др. Волоконно-оптические датчики.

Оглавление

Вступление 2
Волоконно-оптические датчики 2

От электрических измерений к электронным 2

От аналоговых измерений к цифровым 3

Цифризация и волоконно-оптические датчики 4
Становление оптоэлектроники и появление оптических волокон 4

Лазеры и становление оптоэлектроники 4

Появление оптических волокон 6

Одно- и многомодовые оптические волокна. 6

Характеристики оптического волокна как структурного элемента датчика и систем связи 7
Классификация волоконно-оптических датчиков и примеры их применения 9
Датчики с оптическим волокном в качестве линии передачи 10
Датчики с оптическим волокном в качестве чувствительного элемента 12
Краткая история исследований и разработок 15
Заключение 15
Список литературы 16
Оглавление 16


©2007—2016 Пуск!by | По вопросам сотрудничества обращайтесь в contextus@mail.ru