3. ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ

В настоящей главе рассмотрен наиболее представительный класс волоконно-оптических приборов — датчики физических величин. Проанализированы различные методы преобразования параметров измеряемого физического поля в характеристики оптического излучения на выходе датчика. Разработана система оценки различных датчиков с точки зрения их практического применения.

3.1. Принципы функционирования волоконно-оптических датчиков физических величин (ВОД ФВ). Возможности и ограничения применения ВОД ФВ

Общий объем исследований, выполненных в области создания волоконно-оптических датчиков физических величии (ВОД ФВ), а также число предложенных и разработанных конструкций достигли таких значений, когда оказывается возможным составление определенной классификации этих приборов. Однако прежде чем перейти к классификации, рассмотрим потенциальные преимущества ВОД ФВ перед приборами-аналогами.

Поскольку в рамках настоящей книги невозможно сопоставить ВОД ФВ со всеми ныне используемыми датчиками физических величин, рассмотрим преимущества ВОД ФВ перед некоторым «обобщенным» датчиком, преобразующим измеряемую физическую величину в электрический сигнал, достаточный для передачи на умеренные

(до 1 км) расстояния, где происходит считывание данного сигнала.

1. Электрическая пассивность. Поскольку ВОД ФВ сообщается с периферией с помощью кварцевых или полимерных оптических волокон или кабелей, являющихся хорошими изоляторами, не требуется электрической развязки или других мер изоляции при расположении датчика в области повышенного потенциала. Кроме того, что особенно существенно для бортовых телеметрических комплексов, снимается проблема влияния дрейфа электрического нуля на точность измерений (проблема «плавающего потенциала»).

2. Термическая стабильность и коррозионная стойкость. Диэлектрические материалы, в частности кварц, обладают повышенной коррозионной стойкостью по сравнению с большинством металлов. Тот факт, что специальными исследованиями установлено наличие деградации оптических характеристик волокон и кабелей при их длительной эксплуатации в условиях повышенной влажности и температур, не должен настораживать, поскольку речь идет об эффекте, накапливающемся на больших (более 1 км) эксплуатационных отрезках линий связи в условиях передачи предельных объемов информации. В телеметрических системах длины используемых отрезков и передаваемые объемы информации существенно меньше, а следовательно, некоторое увеличение потерь в процессе эксплуатации волоконно-оптической телеметрической системы допустимо. Кроме того, в связи с отсутствием электрических потенциалов на элементах ВОД ФВ значительно ослаблено влияние электролитических эффектов во влажной атмосфере. Обеспечение термической стабильности — проблема более сложная, но все же возможно изготовление ВОД ФВ, характеристики которых даже после приложения к ним высоких (до 1500 °С) температур восстанавливаются при возвращении к нормальному термическому режиму работы. Утверждение, что рабочая температура не влияет на параметры и показания ВОД ФВ, вообще говоря, неверно.

3. Устойчивость к электромагнитным помехам и радиационным воздействиям. Это достоинство является существенным и в ряде случаев решающим. Порог чувствительности и динамический диапазон многих современных датчиков определяются уровнем шумов на входе считывающего устройства. Естественно, что наличие электромагнитных и радиационных помех приводит к возрастанию шумового фона в электрическом тракте, идущем от датчика обычного (электрического или электронного) типа. Кроме того, радиационное воздействие приводит к изменению параметров полупроводниковых компонентов датчиков (микросхем, детекторов и т. д.).

В ВОД ФВ воздействие электромагнитных помех как на сам датчик, так и на волоконно-оптический тракт передачи сигнала практически не наблюдается, поскольку оптические характеристики волокна, а следовательно, и параметры распространяющегося по нему сигнала не меняются под действием электромагнитного поля. Вопрос о том, каким же образом в этом случае удается создавать ВОД для измерения электрических или магнитных полей, будет обсуждаться ниже (см. п. 3.3). Что касается радиационных воздействий, то в стеклянных волокнах сильное у-излучение вызывает образование центров поглощения и приводит к значительным потерям, но в чистом кварце, и особенно в полимерных материалах, применяемых в волоконной оптике, воздействие радиации проявляется слабее.

4. Разнообразие геометрических форм и размеров. Как будет показано далее, характерные размеры ВОД ФВ в зависимости от принципа работы могут меняться от долей миллиметра до десятков метров. В последнем случае большая протяженность чувствительного элемента датчика в сочетании с малой массой используемого волокна (один метр кварцевого волокна без защитного покрытия имеет массу а с покрытием — порядка 2 г) позволяет создавать распределенные датчики для измерения значений физической величины, усредненных по пространству заданной конфигурации. Если сочетать распределенную конфигурацию датчика со специальной техникой выборки и обработки информации, то можно получить аналог одно- или двухмерной антенной решетки, т. е. придать датчику направленные свойства (см. п. 3.7). Указанные достоинства характерны для большинства ВОД ФВ, что в сочетании с таким фактором, как совместимость с современными волоконно-оптическими системами передачи и оптоэлектронными устройствами обработки информации, делает этот класс приборов весьма перспективным.

По принципу действия все ВОД ФВ делятся на четыре класса в соответствии с тем, какой из параметров оптической волны , распространяющейся по волокну, используется для получения информации об измеряемом физическом воздействии: амплитуда электрического поля Е, фаза Ф, состояние и направление поляризации электрического вектора или частота

По указанному принципу выделяют:

амплитудные датчики, называемые также датчиками с модуляцией интенсивности или проще — датчиками интенсивности, в которых внешнее воздействие модулирует интенсивность I световой волны в выходном волокне датчика;

фазовые датчики, в которых под воздействием внешнего фактора меняется фаза Ф на выходе чувствительного элемента (сенсора);

поляризационные датчики, в которых в качестве информационного параметра используется изменение поляризации

частотные датчики — новый класс ВОД ФВ, появление которого можно ожидать благодаря прогрессу в области создания волоконных источников света и интерференционных фильтров, в волоконном исполнении (см. гл. 4); в таких датчиках исследуемое физическое воздействие изменяет частоту со генерируемого, отраженного или пропускаемого света.

Последнее направление в настоящее время находится на начальной стадии развития, поэтому частотные датчики далее подробно рассматриваться не будут.

Датчики интенсивности, как правило, имеют малые габаритные размеры, поскольку чувствительный элемент представляет собой либо специально встроенное в волоконно-оптический тракт модулирующее устройство, либо введенную в волоконную линию нерегулярность (разрыв, изгиб и т. д.). Как показано в гл. 2, такие нерегулярности могут существенно менять амплитудную передаточную характеристику волокна. Другим достоинством датчиков интенсивности является их совместимость с простыми в работе и доступными системами передачи на многомодовых волокнах. Наконец, для детектирования модулированного по интенсивности светового сигнала, применяется обычная методика фотодетектирования.

Фазовые датчики используют эффект накапливающегося изменения фазы в протяженном отрезке волокна. Поэтому их динамический диапазон и порог чувствительности зависят от длины волоконного отрезка в чувствительном элементе, следовательно, достижимы любые требуемые значения, по крайней мере теоретически. С другой стороны, фазовые датчики не столь малогабаритны, как другие ВОД, поскольку оптическое волокно нельзя свивать в катушки диаметром меньше 3—6 см. При нарушении этого правила светопропускание резко падает (см. гл. 2). Вследствие этого фазовые датчики лучше подходят для создания распределенных, а не компактных приборов. Для фазовых ВОД ФВ,. как правило, используется одномодовое волокно, что значительно усложняет их изготовление. Наконец, для детектирования сигнала необходимо применять когерентные методы — гомо- и гетеродинное детектирование.

Поляризационные датчики могут выполняться в локализованной и распределенной конструкциях в зависимости от того, какой элемент — встроенный преобразователь или само волокно — применяется

Таблица 3.1. (см. скан) Волоконно-оптические датчики

для поляризационной модуляции пучка в волокне. Для детектирования поляризационно-модулированного сигнала применяется схема со скрещенными поляроидами. Существует ряд ограничений, препятствующих широкому развитию поляризационных ВОД ФВ, которые мы рассмотрим в п. 3.6 данной главы.

В табл. 3.1 приведены основные типы датчиков. Для составления этой таблицы нами наряду с собственными использованы данные из упоминаемых ниже литературных источников.

Точно так же безусловно можно ожидать расширения областей применения различных датчиков по мере улучшения их характеристик (табл. 3.2).

Таблица 3.2. Области потенциального применения ВОД