ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ

Таганрогский государственный радиотехнический университет

Научноучебный центр "Инженерная экология"

К.Е.Румянцев

ВОЛОКОННООПТИЧЕСКАЯ СЕНСОРИКА

Учебное пособие

Таганрог 1995

.

УДК 621.382.8(075)

Румянцев К.Е. Волоконнооптическая сенсорика: Учебное пособие.

Таганрог: ТРТУ, 1995 108 с.

ISBN523024691X

Рассмотрены принципы действия, конструкции, основные параметры волоконнооптических датчиков температуры, влажности, химических веществ и ионизирующих излучений, электромагнитного поля, механических величин и уровня жидких сред.

Рассчитано на студентов радиотехнических и приборостроительных специальностей, научных сотрудников, аспирантов и специалистов, занимающихся разработкой и эксплуатацией датчиков для контроля параметров сред и объектов, для обеспечения жизнедеятельности человека.

Ил. 49. Табл. 9. Библиогр.: 51 назв.

Печатается по решению редакционно издательского совета

Таганрогского государственного радиотехнического университета.

Рецензенты:

Кафедра радиоэлектронных средств Шахтинского технологического института бытового обслуживания. Зав.кафедрой профессор В.С. Плаксиенко.

Г.Ф. Филаретов, др техн.наук, профессор Московского энергетического института (технического университета).

ISBN 523024691X Таганрогский государственный радиотехнический университет

1995

.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Предлагаемое учебное пособие содержит материал по курсу "Электронная сенсорика" для студентов радиотехнических и приборостроительных специальностей. Материал содержит преимущественно изложение физических явлений и эффектов, а также фундаментальных принципов построения ВОД и теоретических основ синтеза устройств вторичной обработки получаемой информации без детализации конструктивных решений многих ее узлов и цепей.

Предполагается, что читатели знакомы с теорией электрорадиоматериалов, принципами волоконной оптики и оптоэлектроники, а также с основами схемотехники аналоговых и цифровых устройств обработки информации.

В пособии нашел отражение опыт фундаментальных и прикладных исследованиях по созданию датчиков для контроля параметров экосред и объектов, проводимых в рамках республиканских научнотехнических программ и хоздоговорных работ.

Настоящая книга является третьим пособием, подготовленным научноучебным центром "Инженерная экология" Таганрогского государственного радиотехнического университета.

СПИСОК ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ

ИК инфракрасное (излучение)

ИЛ инжекционный лазер

ВОД волоконнооптический датчик

ВОЛЗ волоконнооптическая линия задержки

ВОЛС волоконнооптическая линия связи

ВОС волоконнооптическая структура

ВС волоконный световод

ГТИ генератор тактовых импульсов

МВС многомодовый ВС

НВО направленный волоконный ответвитель

ОВС одномодовый ВС

ПОМ передающий оптический модуль

ФПМ фотоприемный приемный модуль

СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ

с=37_010_58 м/сскорость света

е=1,6*10_519 Кл заряд электрона

F фокусное расстояние

f частота

H напряженность магнитного поля

h толщина

I ток

J интенсивность оптического излучения

К, ккоэффициент

КБ=1,38*10_523 Дж/К постоянная Больцмана

l длина

m масса

mм глубина модуляции

NA числовая апертура

n показатель преломления

P мощность, давление

q отношение сигнал/шум

R, rрадиус

S площадь

T температура по Кельвину

t температура по Цельсию, время

U напряжение

VВ постоянная Верде

q линейная скорость

x, y координаты

a показатель

g чувствительность

h квантовая эффективность

Q угол

k воздействие

l длина волны

c потери

J угол

W угловая скорость вращения

w круговая частота

П полоса

Э энергия

F поток излучения

ВВЕДЕНИЕ

Для систем измерения параметров экологических сред необходимы датчики, преобразующие контролируемые величины (температуру, влажность, концентрацию вредных веществ) в сигналы, удобные для передачи по линии связи и последующей обработки. Волоконнооптические датчики (ВОД) физических величин, активно разрабатываемые в настоящее время, позволяют создать компактные контрольноизмерительные устройства, обладающие высокой помехозащищенностью, пожаробезопасностью, избирательными свойствами к определенным компонентам окружающей среды. Важным моментом является также возможность объединения датчиков в единую измерительную систему с помощью волоконнооптических линий связи, в полной мере реализующих достоинства волоконной оптики.

Наиболее серьезных успехов в области создания датчиков следует ожидать в результате объединения датчиков с микроэлектроникой и оптоэлектроникой, что позволит разработать "разумные" датчики, интегральные ВОД и оптоэлектронные ИМС. Наконец, объединение датчиков, дистанционной связи и технологии информации сделает возможным появление новых диагностических систем.

При проектировании датчиков важен рациональный выбор подходящего физического эффекта и конкретной схемы его реализации, излагаются подходы к решению поставленной задачи.

Автор надеется, что после ознакомления с настоящим пособием читатели смогут свободно изучать новую информацию о датчиках и у них возникнут свои оригинальные идеи.

.

1.Структура волоконнооптических датчиков

Для волоконнооптических систем измерения параметров окружающей среды, обеспечения безопасности жизнедеятельности человека и рационального природопользования необходимы датчики, преобразующие контролируемые величины (температуру, влажность, концентрацию вредных веществ) в сигналы, удобные для передачи по волоконному световоду (ВС). Первым узлом датчика является чувствительный элемент, называемый первичным преобразователем, или сенсором. Сенсор воспринимает измеряемое воздействие и вырабатывает некий сигнал, связанный с его величиной. В последующих узлах датчика осуществляется вторичное, иногда весьма сложное, преобразование сигнала сенсора [114].

В наиболее простой форме ВС состоит из сердцевины с показателем преломления n1 и радиусом r, оболочки с показателем преломления n2 и защитного покрытия (рис.1). ВОД могут быть реализованы на основе одномодовых и многомодовых ВС, которые отличаются по параметрам (табл.1), технологии изготовления и размерам.

Таблица 1

Параметры волоконных световодов

Параметры ВС ¦ Длина волны l_0, нм ¦

¦850 ¦ 1350 ¦ 1550 ¦ 850 ¦ 1350 ¦ 1550 ¦

Тип ¦ многомодовые ¦ одномодовые ¦

Затухание, не более¦ ¦ ¦

дБ/км¦ 2,5...4 0,4...0,5 0,3...0,4¦2,5...4 0,3...0,5 0,2 ¦

Произведение полосы¦ ¦ ¦

пропускания на¦ ¦ ¦

длину ВС, ГГц км ¦ 0,8...1 1...21...2 ¦ 10 100100 ¦

Диаметр сердцевины,¦ ¦ ¦

мкм ¦ 50... 62,5¦ 4...6 5...8 6...12¦

Диаметр оболочки, ¦ ¦ ¦

мкм ¦ 125... 150¦125¦

Ресурс работы, ч ¦10000¦10000 ¦

Рис.1. Структура волоконного световода

Для изготовления ВС используется чистая или слегка легированная двуокись кремния SiO2, стекло, содержащее SiO2 с добавками Na2_0O3, B2_0O3, PbO, и реже полимеры.

Эффект волноводного распространения света в прозрачной диэлекрической среде основывается на явлении преломления света на границе раздела двух сред с разными показателями преломления. На рис.2 изображен луч света, который, распространяясь в среде 1 с показателем преломления n1, попадает на границу со средой 2 с показателем преломления n2_0.

На поверхности раздела двух сред углы падения Q и преломления J между световым лучом и нормалью (рис.2,а) подчиняются закону синусов

n1 sinQ=n2 sinJ (1)

при выполнении условий O < Q _0< Qкр _0и O _0< J _0< p/_02.

При n > n2 переход из среды 1 в среду 2 становится невозможным, начиная со значения (рис.2,б)

Qкр_0=arcsin (n2_0/n1_0). (2)

При Q > Qкр наблюдается явление полного внутреннего отражения (рис.2,в), не сопровождающееся какимилибо потерями на границе раздела.

Рис.2. Отражение и преломление на границе раздела двух сред

Рассмотрим цилиндрический ВС (рис.3). Торец ВС срезан под прямым углом к его оптической оси. Луч, входящий в волокно с торца из окружающего воздуха с показателем преломления no=1, будет распространяться вдоль ВС путем многократных отражений от границы сердцевинаоболочка без ослабления при условии Q > Qкр_0. Для выполнения этого условия необходимо, чтобы угол наклона луча к оптической оси ВС z_0=p_0/2 Q не превышал величины zкр=p0/2 Qкр, а угол падения a луча на торец волокна был менее определенной величины aкр_0.

Рис.3. Распространение света в волоконном световоде

Чем больше угол aкр, тем большая часть падающей на торец энергии может быть введена в волокно и будет в ней распространяться за счет полного внутреннего отражения.

Величину

NA=sinaкр=sin ? n1_52 n2_52 (3)

называют числовой апертурой ВС. Так,например, при показателях преломления сердцевины n1=1,51 и оболочки 1,50 воспользовавшись формулами (2) и (3) найдем критический угол Q кр _0=83_5o_030_5'_0, максимальный апертурный угол a кр=10_5o и числовую апертуру ВС NA=0,17.

В ВС может распространяться ограниченное число мод колебаний, каждая из которых характеризуется собственной скоростью распространения. Число мод в ВС снижается при уменьшении показателя преломления сердцевины от центра к краям по квадратичному закону (ВС с градиентом показателя преломления). В волокне с постоянным показателем преломления сердцевины при выполнении условия

2p_0r ?_0n1_52_0 n2_52 < 2,4 l

распространяется лишь одна мода (одномодовый ВС). Для n1=1,51 и n2=1,50 неравенство предполагает, что радиус сердцевины ВС r не должен превышать 2,2l.

Важную роль в ВОД играют устройства для объединения света, выходящего из нескольких ВС в один или, наоборот, для разделения света, выходящего из одного ВС, в один или несколько ВС. Эти компоненты называют направленными волоконными ответвителями (НВО).

Наиболее распространенным типом НВО является ответвитель, в котором оптическая мощность извлекается с боковой поверхности ВС за счет связи через поле утечки двух сердцевин (рис.4), поскольку в ВС поле утечки является экспоненциально затухающим полем, то сердцевины ВС должны быть приведены в непосредственную близость.

По существу, имеется три основных способа изготовления НВО: травление, полировка и сплавление.

В методе травления два ВС с удаленным пластиковым кожухом перекручивают друг с другом, а затем погружают в плавиковую кислоту. Кислота удаляет кварцевую оплетку и оболочку по периферии и позволяет двум сердцевинам войти в контакт. Такие НВО почти невозможно упрочнить. Кроме того, температурная чувствительность таких НВО делает их нестабильными.

Рис.4. Направленный волоконный ответвитель

Второй метод основывается на снятии примерно половины материала двух ВС на определенной длине с последующим приведением их в контакт. При полировке ВС должны быть приняты особые предосторожности с тем, чтобы не повредить сердцевину. С этой целью ВС утапливается в кварцевую пластину и тщательно контролируется пропускание света по мере удаления материала. После нанесения на полированные поверхности ВС иммерсионной жидкости две пластины сопрягают между собой и соединяют с помощью определенного типа клея.

Вследствие изменения показателя преломления жидкости с температурой и температурного расширения клея описанным НВО свойственна более высокая температурная чувствительность, чем сплавным ответвителям. Помимо этого, здесь проявляется старение по мере того, как иммерсионная жидкость проникает в клей. Наконец, этот метод изготовления является трудоемким.

Наилучший среди всех подходов к изготовлению НВО является метод сплавного биконического сужения, при котором два кварцевых ВС сплавляются друг с другом при температуре примерно 1500 С с последующим растягиванием. Растягивание с продолжением нагрева вызывает уменьшение размеров сердцевин ВС, что, в свою очередь, вызывает проникновение электрического поля утечки в глубь сердцевин. Это способствует возникновению поля утечки при гораздо большем расстоянии между сердцевинами, чем в случае полировки. Нагрев и растягивание продолжается до тех пор, пока не будет получено соответствующее отношение ответвления. После прекращения нагрева относительное положение сердцевин фиксируется связующим веществом оболочки. В НВО, полученных методом сплавного биконического сужения, не наблюдается значительных эффектов старения и температурных изменений.

Работу НВО проследим по эквивалентной схеме на рис.4. При подаче на входной порт 1 по ВС1 оптического излучения с интенсивностью J1 на выходных портах 3 и 4 появляются излучения соответственно с интенсивностями

J3=Kнво J1_0и J4=(1 Kнво_0) J1.

Здесь коэффициент ответвления Кнво _0характеризует часть энергии оптического излучения, поступающей из ВС1 в ВС3.

Аналогично, при подаче на входной порт 2 по ВС2 оптического излучения с интенсивностью J2_ на выходных портах 3 и 4 появляется _излучение с интенсивностями

J3=(1 Kнво) J2 и J4=Kнво J2.

_В реальных НВО всегда присутствуют потери световой энергии в _местах сплавления, которые выражаются в том, что суммарная выходная интенсивность _0J3+J4 _не совпадает с интенсивностью _0J1_(или I2_0). _Указанные потери в децибелах учитываются коэффициентом потерь

J1

cнво=10 lg.

J3+J4

Как правило, в расчетах НВО не принимается во внимание возможность отражения в обратном направлении.

Световоды находят применение для решения задач:

передачи информации для исключения влияния паразитных электромагнитных наводок и обеспечения электрической изоляции между электронными узлами передатчика и приемника;

наблюдения или измерения оптическими средствами в труднодоступных зонах или в неблагоприятной окружающей среде (например, во взрывоопасной или коррозионной атмосфере);

изменение параметров оптического излучения под воздействием физических величин.

В последнем случае ВС выступает в качестве сенсора, оптический сигнал которого промодулирован измеряемой физической величиной.

Информативным параметром в ВОД может быть амплитуда (интенсивность), фаза, частота и поляризация оптического излучения.

Важным для практики признаком является использование когерентных эффектов, поскольку это определяет сложность и стоимость датчика.

Кроме того, ВОД характеризуют измеряемой величиной, методом измерения (непосредственный, дифференциальный, компенсационный и т.п.), областью применения и условиями эксплуатации (стационарные, подвижные, бортовые и т.п.), конструктивными признаками и т.д.