Лазерные оптико-электронные приборы - Радиоэлектроника - Скачать бесплатно
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
|
