Датчики физических величин

Применение оптических волокон в средствах дальних высокоскоростных системах передачи сообщений не ограничиваются только этими применениями. Оснащение производственной и чисто бытовой деятельности человека различного рода датчиками (сенсоризация), т. е. замена органов чувств человека на искусственные датчики, в настоящее время рассматривается в качестве третьей промышленной революции вслед за первыми двумя - машинно-энергетической и информационно-компьютерной. Потребность в датчиках стремительно растет в связи с быстрым развитием автоматизированных систем контроля и управления, внедрением новых технологических процессов. В этом плане волоконно-оптические датчики обладают огромным потенциалом, т. к. в этом случае возможно функциональное расширение операций, выполняемых в блоке обработки данных датчика, путем их цифризации. Как структурный элемент датчика оптическое волокно обладает следующим набором достоинств:

1. широкополосность (несколькл десятков терагерц);

2. малые потери (минимальные 0.154 дБ/км);

3. малый (около 125 мкм) диаметр;

4. малая (приблизительно 30 г/км) масса;

5. эластичность (минимальный радиус изгиба 2 мм);

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

7. отсутствие взаимной интерференции (перекрестных помех типа «переходных разговоров»);

8. безиндукционность (отсутствует влияние электромагнитной индукции);

9. взрывобезопастность (гарантируется абсолютная неспособность волокна быть причиной искры);

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

11. 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 приобретает малый диаметр и отсутствие взаимной интерференции, а в электрически неблагоприятной окружающей среде – безиндукционности.

Волоконно-оптические гироскопы на основе интерферометров с кольцом из оптического волокна привлекают внимание как системы, в которых отсутствуют какие-либо подвижные детали. Гироскоп выполняет функции детектора угловой скорости в инерциальном пространстве, являясь структурным элементом инерциальной навигационной системы, обрабатывающий информацию о местонахождении объекта с

рис.5 Принцип работы гироскопа на основе эффекта Саньяка.

целью выведения его на курс. В состав этой системы обычно входят три гироскопа – для измерения скорости вращения вокруг трех ортогональных осей, три акселерометра – для определения скорости и расстояния в направлении трех осей и компьютер – для обработки этой информации. До последнего времени применялись в основном механические гироскопы, работающие на эффекте удержания оси вращения тела в одном направлении инерциального пространства (закон сохранения момента количества движения). Это дорогостоящие приборы, поскольку требуется высокая точность формы тела вращения и минимально возможное трение подшипников.

В отличие от механических оптические гироскопы не имеют подвижных частей. Принцип действия оптического гироскопа основан на эффекте Саньяка (1911 г.) (рис.5). По круговому оптическому пути, как это показано на рис.5, благодаря расщеплению луча свет распространяется в двух противоположных направлениях. Если при этом система находится в покое относительно инерциального пространства, оба световых луча распространяются встречно по оптическому пути одинаковой длины. Поэтому при сложении лучей в расщепителе по завершении пути нет фазового сдвига. Однако, когда оптическая система вращается в инерциальном пространстве с угловой скоростью Ω, между световыми волнами возникает разность фаз. Это явление называется эффектом Саньяка. Пусть коэффициент преломления на оптическом пути n=1. При радиусе оптического пути а, время достижения расщепителя лучей светом, движущимся по часовой стрелке, выражается как

, (1)

в противоположном направлении –

, (2)

где с – скорость света.

Из (1) и (2) следует разность времени распространения двух световых волн с учетом с>>аΩ:

. (3)

Это означает, что появляется разность длины оптических путей

, (4)

или, иначе говоря, разность фаз

. (5)

рис.6. Полная схема волоконно-оптического гироскопа.

Здесь S – площадь, окаймленная оптическим путем; к – волновое число.

Одним из важных преимуществ такого гироскопа является его реализация на базе только элементов интегральной оптики как это показано на рис.6.

Все приведенные выше примеры показывают, что предмет функциональной электроники является необъятной темой для рассмотрения. Однако, общим характером функциональных устройств является комбинация двух различных физических реальностей: электричество – свет, магнетизм – свет, поверхностные акустические волны – электричество и т.д. В дальнейшем, в силу важности для основных практических приложений будет рассматриваться только первая комбинация. Для этих целей, в качестве введения, рассмотрим основные положения электромагнитной теории Максвелла и основные положения теории полупроводников.