eng
Содержание
Содержание
Предисловие
Глава 1. Возникновение технологии волоконно-оптических датчиков
Эрик Удд (Eric Udd)
Глава 2. Оптоволокно
Д. А. Нолан, П. Е. Блашик и Е. Удд (D. A. Nolan, P. E. Blaszyk and E. Udd)
2.1
Введение
2.2
Типы оптических волокон
2.3
Технологии изготовления оптических волокон
2.4
Использование оптических волокон и их свойств для создания датчиков
2.5
Резюме
Список литературы
Глава 3. Источники света
Эрик Удд
3.1
Введение
3.2
Фундаментальные свойства источников света
3.3
Длина когерентности
3.4
Полупроводниковые источники света
3.5
Резюме
Список литературы
Глава 4. Приемники оптического излучения
У. Б. Спиллман (W. B. Spillman), младший
4.1.
Введение
4.2.
Теоретические основы
4.3.
Полупроводниковые фотодиоды
4.4.
Лавинные фотодиоды
4.5.
Шум
4.6.
Регистрация спектра
4.7.
Резюме
Список литературы
Глава 5. Оптические модуляторы для волоконно-оптических датчиков
Леонард М. Джонсон (Leonard M. Johnson)
5.1
Введение
5.2
Электрооптический эффект
5.3
Объемные модуляторы
5.4
Интегрально-оптические модуляторы
5.5
Чистоволоконные оптические модуляторы
Список литературы
Глава 6. Датчики на основе измерения интенсивности и интерферометр Фабри-Перо
Гордон Л. Митчелл (Gordon L. Mitchell)
6.1
Датчики интенсивности
6.2
(Волоконно-оптические) Датчики температуры с полупроводниковым чувствительным элементом (основанные на эффекте сдвига краев полосы поглощения)
6.3
(Волоконно-оптические) Энкодеры положения
6.4
Многомодовые датчики Фабри-Перо
6.5
Одномодовые датчики Фабри-Перо
Список литературы
Глава 7. Многомодовые дифракционные датчики
У. Б. Спиллман, младший
7.1
Введение
7.2
Теоретические основы
7.3
Датчики, основанные на относительном движении находящихся одна напротив другой решеток
7.4
Датчики, основанные на модуляции периода решетки
7.5
Состояние разработки датчиков
7.6
Резюме
Список литературы
Глава 8. Многомодовые датчики поляризации
У. Б. Спиллман, младший
8.1.
Введение
8.2.
Теоретические основы
8.3.
Датчики на основе эффекта фотоупругости
8.4.
Датчики на основе фазовых пластин
8.5.
Состояние разработки датчиков
Список литературы
Глава 9. Волоконно-оптические датчики на основе интерферометра Саньяка и пассивного кольцевого резонатора
Эрик Удд
9.1.
Введение
9.2
Краткий обзор оптических датчиков вращения и эффекта Саньяка
9.3.
Кольцевой лазерный гироскоп
9.4.
Гироскоп с пассивным кольцевым резонатором
9.5.
Волоконно-оптический гироскоп
9.6.
Компромисс между кольцевым лазером, пассивным кольцевым резонатором и волоконно-оптическим интерферометром при использовании их в качестве датчиков вращения
9.7.
Датчики условий внешней среды, использующие интерферометр Сагнака
Благодарности
Список литературы
Глава 10. Волоконно-оптические датчики на основе интерферометров Маха-Цендера и Майкельсона
Энтони Дэндридж (Anthony Dandridge)
10.1
Введение
10.2
Принцип работы
10.3
Структуры волоконного интерферометра
10.4
Приложения
10.5
Резюме
Список литературы
Глава 11. Распределенные и мультиплексированные волоконно-оптические датчики
Алан Д. Керси (Alan D. Kersey)
11.1
Введение
11.2
Распределенные измерения
11.3
Основные принципы мультиплексирования датчиков
11.4
Мультиплексирование интерферометрических датчиков
Список литературы
Глава 12. Волоконно-оптические датчики магнитного поля
Франк Бухольтц (Frank Bucholtz)
12.1
Введение
12.2
Датчики на основе эффекта Фарадея
12.3
Магнитострикционные датчики
12.4
Датчики на основе силы Лоренца
Список литературы
Глава 13 Промышленное применение волоконно-оптических датчиков
Дж. У. Бертхольд III (J. W. Berthold III)
13.1
Введение
13.2
Основы
13.3
Измерение температуры
13.4
Измерение давления
13.5
Измерение уровня жидкости
13.6
Измерение скорости потока
13.7
Измерение положения
13.8
Измерение вибрации
13.9
Химический анализ
13.10
Измерение тока и напряжения
13.11
Важные замечания для индустриальных приложений
13.12
Резюме
Список литературы
Глава 14. Волоконно-оптические интеллектуальные структуры
Эрик Удд
14.1
Введение
14.2
Системы волоконно-оптических датчиков
14.3
Приложения волоконно-оптических интеллектуальных структур и оболочек
14.4
Пример использования волоконно-оптического датчика в интеллектуальных структурах
14.5
Заключение
Список литературы
Предисловие
Идеальные для использования во многих приложениях датчики должны обладать такими свойствами, как малый вес, небольшой размер, малая мощность, устойчивость к воздействиям внешней среды и электромагнитная помехозащищенность, хорошие показатели производительности и низкая стоимость. С развитием технологий необходимость в датчиках с подобными характеристиками резко возрастает в таких областях, как аэрокосмическая и оборонная промышленность, производство материалов, медицина и строительство. Проникновение волоконно-оптических технологий, которые в 1970-е и 1980-е годы быстро развивались благодаря индустрии телекоммуникаций, на коммерческие рынки для производителей CD-плееров, персональных копировальных устройств и лазерных принтеров, в сочетании со снижением стоимости оптоэлектронных компонентов, позволило технологии волоконно-оптических датчиков раскрыть свои потенциальные возможности по отношению ко многим приложениям.
Книга представляет собой вводный курс в быстро развивающуюся область волоконно-оптических датчиков для инженеров, ученых, аспирантов и студентов старших курсов. Я начал работать над этой книгой в 1981 году. Однако, из-за быстрого увеличения количества активно работающих в этой области специалистов от нескольких на весь мир в конце 1970-х до тысяч – в конце 1980-х, одному человеку стало невероятно трудно самостоятельно написать книгу, которая была бы одновременно и современной, и достаточно глубоко раскрывала тему. Поэтому в начале 1987 я принял решение обратиться за помощью к моим коллегам, работающим в области волоконно-оптических датчиков. Я попросил их написать для этой книги главы по тем областям, в которых они специализируются. Я чрезвычайно им признателен. Все, к кому я обратился в первую очередь, откликнулись положительно и с энтузиазмом. Каждый из авторов глав интенсивно работает в области волоконно-оптических датчиков, и является автором множества признанных во всем мире публикаций по этим вопросам. Насколько это возможно, каждый из авторов стремился сделать свою главу независимой, поэтому книгой можно пользоваться как доступным справочником. В то же время, книга следует плану предварительно подготовленного мной оригинального текста, который, в свою очередь, я использовал при чтении пользовавшихся большим успехом кратких курсов в Калифорнийском Университете в Лос-Анжелесе, на Конференции по технической оптике в “Мак Доннел Дуглас”. Таким образом, книга может использоваться в качестве пособия при чтении курсов студентам, аспирантам, инженерам, а также на промышленных семинарах по волоконно-оптическим датчикам.
Книга начинается с введения и обзора наиболее важных элементов, используемых в волоконно-оптических датчиках. В этой части книги, включающей пять первых глав, рассматриваются вопросы, связанные с оптическими волокнами, источниками излучения, приемниками и оптическими модуляторами. Эти главы преследуют двойную цель – в них не только излагаются основы знаний по волоконно-оптическим датчикам, но и устанавливаются многочисленные связи между описываемыми элементами и технологией волоконно-оптических датчиков. Эти связи укрепляются и расширяются в последующих разделах книги. Многие вопросы, рассматриваемые в этих главах, могут быть интересны также читателям, желающим расширить свои знания в области телекоммуникаций, поскольку базовые компоненты являются ядром большинства традиционных и передовых телекоммуникационных систем. В Главе 1 Эрик Удд предлагает краткий обзор истории появления технологии волоконно-оптических датчиков и предсказывает направления их развития. Написанная Паулем Блашик, Даном Нолан и Эриком Уддом Глава 2 по оптическим волокнам – это базовый вводный курс, в котором описаны виды волокон, используемые в волоконно-оптических датчиках, и физические процессы, связанные с оптическими волокнами, используемыми для измерений. В Главе 3, написанной Эриком Удом, приведен краткий обзор источников излучения с точки зрения разработчика волоконно-оптических датчиков. В Главе 4 Билл Спиллман описывает оптические приемники, рассматривая их с аналогичной точки зрения. В Главе 5 по оптическим модуляторам, написанной Леном Джонсоном, рассматриваются как объемные, так и интегрально-оптические модуляторы, используемые для сдвига фазы и частоты.
Второй раздел этой книги охватывает волоконно-оптические датчики. Раздел начинается с обсуждения внешних или гибридных волоконно-оптических датчиков. В этих типах волоконно-оптических датчиков волокно служит средством доставки сигнала к оптическим черным ящикам, в которых пучки света преобразуются под воздействием информации, часто подвергаясь модуляции по амплитуде или поляризации. Для передачи измененного сигнала снова используются оптические волокна. Глава 6, написанная Гордоном Митчеллом, начинается с обзора датчиков на основе интенсивности, предназначенных для наблюдения за температурой, положением и другими параметрами внешней среды, и продолжается более подробным описанием волоконно-оптического датчика, основанного на интерферометре Фабри-Перо и являющегося одним из первых волоконно-оптических датчиков, которые начали успешно производиться и эксплуатироваться в промышленных масштабах. В Главе 7 Билл Спиллман обсуждает волоконно-оптические датчики, основанные на дифракционных решетках, применяемые в гидрофонах и датчиках перемещения. Далее следует Глава 8, также написанная Биллом Спиллманом, и посвященная датчикам, основанным на изменении поляризации. В ней прекрасно описана эффективность такого подхода, позволяющего реализовать мощный класс волоконно-оптических датчиков. Главы с 9 по 11 охватывают “чистоволоконные” датчики, в которых волокно выступает в качестве чувствительного элемента, измерение происходит при взаимодействии пучка света с возмущенным внешней средой оптическим волокном. Воздействие внешней среды на этот тип датчиков обычно основано на изменении эффективной длины оптического пути пучка света вследствие его взаимодействия с оптическим волокном. Получившийся в результате сдвиг фазы может быть измерен с высокой степенью точности при помощи интерферометрических методов. Производительность таких волоконных датчиков может быть чрезвычайно высокой, и они могут заменить целый класс дорогостоящих датчиков, используемых в настоящее время.
В Главе 9 Эрик Удд описывает интерферометр Саньяка и класс датчиков на основе пассивного кольцевого резонатора, которые могут использоваться в качестве датчиков вращения, заменив применяемые в настоящее время гироскопы. Это может стать одним из наиболее дорогостоящих приложений волоконно-оптических датчиков, рынок которого оценивается в сотни миллионов долларов. Подобные датчики могут также использоваться для измерения других параметров внешней среды; в главе приведен обзор таких методов. В Главе 10 Тони Дэндридж описывает интерферометры Маха-Цендера и Майкельсона, имеющие большое значение для приложений, связанных с подводными акустическими измерениями. Такие датчики имеют высочайшую чувствительность, и путем мультиплексирования их можно объединять в массивы, состоящие из сотен датчиков. В Главе 11 Алан Керси продолжает описывать применяемые методы мультиплексирования, а также распределенные волоконно-оптические измерения, во многих приложениях представляющие реальную альтернативу массивам датчиков.
В заключительном разделе книги потенциальные возможности технологий волоконно-оптических датчиков проиллюстрированы примерами конкретных приложений. В Главе 12 Франк Бухольтц подробно описывает и приводит примеры магнитных датчиков, основанных на эффекте Фарадея, магнитострикции и силе Лоренца. Такие датчики уже применяются для наблюдения за током на электрических коммунальных предприятиях, и имеют широкую перспективу применения в промышленных и военных целях. Джон Бертхольд в Главе 13 предлагает обзор множества применений технологий волоконно-оптических датчиков в промышленности. В этой главе приведены примеры измерения температуры, давления, уровня жидкости, скорости потока, положения, вибрации, химического состава, и тока-напряжения, а также обсуждаются вопросы, связанные с промышленным применением технологий волоконно-оптических датчиков. Книгу завершает Глава 14, в которой Эрик Удд приводит обзор недавно появившегося направления волоконно-оптических интеллектуальных структур. В этой области технологии волоконно-оптических датчиков объединяются с механикой и материаловедением, образуя одно из наиболее многообещающих и быстро развивающихся направлений.
Эта книга не была бы создана без усилий и поддержки множества людей. Прежде всего, я хочу поблагодарить моих соавторов, которые своевременно предоставили высококачественные материалы для выпуска этой книги. Я также хочу поблагодарить моих терпеливых редакторов в John Wiley & Sons, и особенно миссис Беатрис Шуб (Shube) за помощь, оказанную в начале написания этой книги, и мистера Джорджа Телецкий (Telecki), помогавшего мне ее завершить. Компания Мак Доннел Дуглас постоянно поддерживает мои усилия, направленные на развитие волоконно-оптических технологий, и я хочу выразить ее руководству признательность за поддержку и особенно моему другу и наставнику Ричарду Кахилл (Cahill), доктору Роджеру Робертсу, Джералду Джонстону (Johnston), Уильяму Бранчу (Branch), Чарли Марвину (Marvin), Дейву Карнес (Karnes), Кену Френсис (Francis), Дану Грин (Green) и многим другим. Я также чрезвычайно признателен моим сотрудникам по компании Мак Доннел Дуглас, особенно Джону Полю Терьё (Theriault), Стюарту Хигли (Higley), доктору Стиву Ватанаб (Watanabe), доктору Уилу Отагуро (Otaguro), Дейву Тьюббз (Tubbs), доктору Джону Галладжеру (Gallager), Алу Джозефу, доктору Хербу (Herb) Смиту, Джеффу Руссому (Jeff Russom), Рику Балдини (Baldini), Тиму Кларку, Тому Уиверу (Weaver), Джиму Муру (Moore), Джону Марсину (Marcin), Рэю Вагонеру (Wagoner) и почти двум сотням других членов команды рабочей группы по оптическим волокнам компании Мак Доннел Дуглас. Я благодарю мою жену Холли и дочерей Эмилию и Ингрид за проявленное ими терпение в процессе моих усилий.
Наконец, я хочу посвятить мой вклад, внесенный в выпуск этой книги, памяти доктора Вольфганга К. Шубеля (Schuebel) c Wright-Patterson базы военно-воздушных сил, который лидировал в развитии волоконно-оптических гироскопов в США.
Хантингтон Бич, Калифорния
Эрик Удд
Возникновение технологии волоконно-оптических датчиков
Эрик Удд (Eric Udd)
Компания Макдоннел-Дуглас Электроник Системс
Санта-Ана, Калифорния
(Сноска внизу: Волоконно-оптические датчики: Вводный курс для инженеров и научных работников, под редакцией Эрика Удда. 1991 John Wiley & Sons, Inc)
Волоконно-оптические технологии совершили революцию в области телекоммуникаций. Революция началась с ограниченного применения оптических волокон в системах, требующих сверхвысокой производительности. Переворот совершился, когда массовое производство в совокупности с техническими усовершенствованиями смогло обеспечить сверхвысокую производительность, требуя меньших издержек, чем любой другой альтернативный подход. Одновременно происходящие усовершенствование и снижение себестоимости, в сочетании с массовым коммерческим производством привели как к вытеснению аналогов, так и к появлению новых областей применения и выпуску новых товаров, таких как CD-плееры, персональные копировальные устройства и лазерные принтеры. Третья революция произошла благодаря разработчикам, использовавшим достижения быстро растущей области оптоволоконной связи вместе с оптоэлектронными приборами и создавшим волоконно-оптические датчики.
Открываются ошеломляющие перспективы, включающие как возможность замены большинства датчиков состояния окружающей среды, существующих в настоящее время, так и появление на рынке принципиально новых датчиков, предоставляющих не существовавшие ранее возможности. На рисунках 1.1-1.3 представлен обзор видов волоконно-оптических датчиков, разработанных к настоящему времени, и приведены параметры, для измерения которых чаще всего используется каждый тип датчиков. Также указаны главы этой книги, соответствующие типам датчиков. На рисунке 1.1 представлены различные типы волоконно-оптических датчиков с внешним чувствительным элементом или гибридных. В волоконно-оптических датчиках с внешним чувствительным элементом измерение параметров производится в области за пределами волокна. То же относится и к гибридным волоконно-оптическим датчикам. Сами датчики можно рассматривать как “черные ящики”, при этом оптические волокна используются для переноса света к “ящикам” и данных – в обратном направлении. В большинстве случаев понятия датчиков с внешним чувствительным элементом и гибридных датчиков взаимозаменяемы. Основное различие возникает в случае использования энергии светочувствительных элементов, когда луч света используется для приведения в действие электронного датчика, и данные возвращаются обратно по волоконно-оптическому каналу. В этом случае термин “гибридные” является более подходящим.
Рис. 1.1. Волоконно-оптические датчики с внешним чувствительным элементом или гибридные: свет передается на вход чувствительного элемента и принимается с его выхода с помощью волокна.
(Надписи на рисунке: 1 – Волоконно-оптические датчики с внешним чувствительным элементом
2 – Пластины/Диски энкодера Главы 6, 13
• Линейное и угловое положение
3 – Отражение и передача Главы 13, 14
• Давление
• Скорость потока
• Повреждения
4 – Полное внутреннее отражение Главы 6, 13
• Уровень жидкости
• Давление
5 – Дифракционные решетки Глава 7
• Давление
• Акустика
• Вибрация
6 – Флуоресценция Главы 6, 13, 14
• Температура
• Вязкость
• Химический анализ
7 –Соединения, использующие затухающие волны Главы 2, 14
• Температура
• Деформация
8 – Лазерное доплеровское измерение скорости Глава 13
• Измерение скорости потока
9 – Край полосы поглощения Глава 13
• Температура
10 – Эффекты фотоупругости Главы 8, 12
• Давление
• Ускорение
• Вибрация
• Круговое перемещение
11 – Пирометр Главы 6, 13
• Температура
На схеме, приведенной на рис. 1.2, показана большая часть “чистоволоконных” датчиков, то есть датчиков, в которых оптическое волокно используется в качестве чувствительного элемента. Используемое иногда название “чистоволоконные” указывает на то, что измерение производится внутри самого волокна. В этом случае оба названия, как правило, полностью взаимозаменяемы. Большой и важный подкласс датчиков, в которых оптическое волокно используется в качестве чувствительного элемента, или чистоволоконных датчиков – это датчики интерферометрические, показанные на рис. 1.3. Большинство датчиков, обеспечивающих наиболее высокую производительность, относятся именно к этому подклассу. Датчики, представленные на рисунках 1.1-1.3 сгруппированы по категориям, соответствующим наиболее распространенным к настоящему моменту областям разработки. Возможны пересечения; в качестве может быть наиболее важного примера такого пересечения можно рассматривать интерферометрические датчики, многие из которых встроены и продолжают встраиваться в датчики с внешним чувствительным элементом или гибридные устройства.
Из рисунков 1.1-1.3 очевидно, что практически любое явление, которое только можно себе представить, может быть проанализировано после преобразования в оптический сигнал. Для измерения почти всех параметров внешней среды может применяться множество волоконно-оптических датчиков, использующих различные подходы. Часто проблема заключается в разработке датчика, который оценивал бы только требуемый параметр.
Рис. 1.2. Датчики, в которых оптическое волокно используется в качестве чувствительного элемента, или “чистоволоконные” датчики: результат воздействия внешней среды преобразуется в световой сигнал внутри волокна.
(Надписи на рисунке: 1 – Датчики, в которых оптическое волокно используется в качестве чувствительного элемента
2 – Датчики микроизгибов Главы 2, 6, 13, 14
• Деформация
• Давление
• Вибрация
3 – Распределенные датчики
4 – Датчики, использующие абсолютно черное тело Главы 13, 14
• Температура
5 – Интерферометрические датчики Глава 2, 6, 8, 9, 10, 12,14
• Вращение
• Ускорение
• Акустика
• Магнитные поля
• Электрические поля
• Деформация
• Температура
• Давление
• Сила тока
Смотри рис. 1.3
6 – Релеевские датчики Глава 11
• Деформация
• Температура
• Внешний показатель преломления
7 – Рамановские датчики (комбинационные) Глава 11
• Температура
8 – Взаимодействие мод Глава 11
• Деформация
• Давление
• Температура
9 – Квазираспределенные датчики Главы 6, 11, 12, 13
• Акустика
• Ускорение
• Деформация
• Магнитные поля
• Температура
Первоначально проникновение волоконно-оптических датчиков на рынок было обусловлено их преимуществом по производительности. В Таблице 1 перечислены все преимущества таких датчиков по сравнению с традиционными электронными датчиками. Элементы, используемые в волоконно-оптических датчиках, являются абсолютно пассивными по отношению к электричеству (не излучают и не проводят электрический ток), что часто оказывает решающее влияние на успешное применение их в некоторых областях. В медицине это позволяет изолировать пациентов от электрических приборов; в области высокого напряжения исключить проводящие пути, а при размещении обеспечивается совместимость с любыми материалами. Весогабаритные характеристики датчиков являются критичными при их использовании их в таких областях, как аэрокосмическая, и здесь, благодаря своим небольшим весу и размеру, волоконно-оптические датчики получают существенное преимущество по сравнению со многими другими изделиями. К тому же такие датчики невосприимчивы к электромагнитным помехам. Традиционные электрические датчики часто приходится размещать в тяжелой экранирующей оболочке, что значительно увеличивает их стоимость, размер и вес. Устойчивость к воздействиям внешней среды является определяющей при использовании волоконно-оптических датчиков в условиях высокой температуры, а твердотельная структура позволяет им выдерживать предельные уровни вибрационных и ударных нагрузок. К перечисленным выше свойствам можно добавить высокую чувствительность и широкополосность. При объединении каналов матрицы датчиков, широкая полоса пропускания самих оптических волокон позволяет передавать получающиеся в результате данные и тем самым обеспечивает определенное преимущество.
Рис. 1.3. Интерферометрические волоконные датчики.
(Надписи на рисунке: 1 – Интерферометрические волоконно-оптические датчики
2 – Взаимодействие мод Главы 11, 14
• Деформация
• Температура
3 – Саньяк Главы 9, 12, 14
• Вращение
• Ускорение
• Деформация
• Акустика
• Измерение длины волны
• Магнитные поля
• Сила тока
4 – Мах-Цендер Главы 10, 12, 14
• Акустика
• Магнитные поля
• Электрические поля
• Ускорение
• Деформация
• Температура
• Сила тока
5 – Майкельсон Глава 2, 10, 14
• Акустика
• Магнитные поля
• Электрические поля
• Температура
• Деформация
6 – Кольцевой резонатор Глава 9
• Вращение
• Ускорение
7 – Фабри-Перо
8 – Поляризация Главы 8, 12, 13, 14
• Акустика
• Ускорение
• Давление
• Температура
• Деформация
9 – Многомодовые Глава 6
• Температура
• Давление
• Показатель преломления
10 – Одномодовые Главы 6, 10
• Акустика
• Температура
• Давление
Таблица 1.1. Преимущества волоконно-оптических датчиков
Пассивность (датчики полностью диэлектрические)
Легкость
Малогабаритность
Невосприимчивость к электромагнитной интерференции
Способность работать при высоких температурах
Широкая полоса пропускания
Устойчивость к вибрации и ударам
Высокая чувствительность
Возможность уплотнения электрических и оптических сигналов
Стоимость компонент определяется крупным телекоммуникационным и оптоэлектронным рынком сбыта
Рис. 1.4. Тенденции развития волоконно-оптических датчиков.
(Надписи на рисунке: 1 – Стоимость ключевых компонент
2 – Количество компонент, предлагаемых на рынке по низким ценам
3 – Доля рынка
4 – Линии продуктов (ассортимент) волоконно-оптических датчиков
5 – Качество компонентРанние работы по волоконно-оптическим датчикам, как правило, можно отнести к двум основным категориям. Относительно простые волоконно-оптические датчики быстро стали серийно выпускаемыми изделиями, часто благодаря небольшим начинающим фирмам, и сформировали специализированный рынок средств измерений. В качестве одного из первых таких примеров можно рассматривать измерение температуры в области высокого напряжения. Более сложными волоконно-оптическими датчиками, такими как волоконно-оптические гироскопы или гидроакустические приемные антенные решётки, занимались большие производственные фирмы при поддержке правительственных программ, стараясь выйти на потенциально большие высокоплатежеспособные рынки. Первоначальное проникновение на рынок в период с 1980 по 1990 годы в условиях постоянной конкуренции с традиционными технологиями датчиков происходило медленно в значительной степени из-за высокой стоимости ограниченного количества подходящих компонент. Но ситуация быстро меняется, и перспективы выглядят чрезвычайно благоприятно. Как показано на рис. 1.4, стоимость основных оптических элементов быстро падает, в то время как их количество и разнообразие возрастает. Все эти факторы сочетаются с повышением надежности и улучшением качества компонент. В конечном результате это привело к быстрому расширению ассортимента производимых волоконно-оптических датчиков и началу стремительного продвижения их на рынок. Таблица 1.2 иллюстрирует резкие и значительные изменения, касающиеся некоторых ключевых элементов. Стоимость одномодовых лазерных диодов в конце 1970-х годов достигала нескольких тысяч долларов, а их срок службы составлял всего несколько часов. К 1990 году эти элементы использовались в миллионах CD-плееров и лазерных принтеров, их стоимость упала до нескольких долларов за единицу, а ресурс исчислялся десятками тысяч часов. Стоимость одномодового оптического волокна в конце 1970-х годов составляла порядка 10$ за метр, и его было трудно приобрести. В 1990 году использование такого волокна стало нормой в индустрии телекоммуникаций, и ежегодно прокладывались миллионы километров линий связи при стоимости волокна менее 0.10$ за метр. В обоих случаях развитие привело к уменьшению величины стоимости примерно на три порядка и сопровождалось одинаково резким возрастанием качества и улучшением единообразия.
Таблица 1.2. Необходимые компоненты для волоконно-оптических датчиков существенно дешевеют
1980 1990 2000
Лазерные диоды $3000/шт. (опытные образцы) $3/шт. (CD плееры) -
Одномодовое волокно $5-10/м (ограниченное предложение на рынке) $0,1/м (стандартная связь) -
Интегрированные оптические модуляторы Лабораторные образцы $7000/шт. (опытные образцы) $50/шт. (волоконно-оптические гироскопы)
Волоконно-оптические гироскопы Лабораторные образцы $20000/шт. (опытные образцы) $500-1000/шт. (недорогие навигационные приборы
За базовыми элементами последовали более сложные устройства, такие как интегральные оптические модуляторы, которые в конце 1970-х годов были лабораторными диковинками крайне далекими от серийно выпускаемых изделий. К 1990 году эти изделия в небольших количествах появились на рынке, при этом стоимость каждого из них составляла несколько тысяч долларов. И можно с полной уверенностью предсказать, что к 2000 году их стоимость упадет, по крайней мере, до уровня 50$, а на их основе в будущем появятся такие серийно выпускаемые продукты, как волоконно-оптические гироскопы. Этот датчик, который в конце 1970-х годов сам по себе был редким лабораторным прибором, зависит от интегральных оптических фазовых модуляторов, являющихся его ключевым элементом. В 1990 году эти устройства предлагались на рынке в ограниченном количестве по цене 20000$ за единицу. Чтобы обеспечить проникновение на рынок, стоимость устройств со средними характеристиками должна упасть примерно до 500-1000$. А для этого в свою очередь требуется, чтобы стоимость фазовых модуляторов снизилась примерно до 50$ за единицу.
Рис. 1.5. По мере увеличения количества компонент и снижения их стоимости возможности выбора для разработчиков волоконно-оптических датчиков многократно возрастают.
(Надписи на рисунке: 1980
• 1 – Источники света
• 2 – Оптоволокно
• 3 – Детекторы
• 4 – Микрооптика
5 – Небольшое количество компонент
Высокая стоимость
6 – Незначительная ниша на рынке (сегмент рынка)
7 – Радиочастотные измерения температуры
1990
• 8 – Волоконные ответвители
• Фильтры
• Компоненты спектрального мультиплексирования (уплотнения)
• 9 – Низкая стоимость
– Источники света
– Детекторы
– Оптоволокно
• 10 – Несложные интегральные оптические приборы – высокая стоимость
11 – Начальное проникновение на рынок
• 12 – Опытные образцы волоконно-оптических гироскопов
• 13 – Системы измерения мощности
• 14 – Промышленные и лабораторные измерительные приборы
2000
• 15 – Низкая стоимость
– Волоконные ответвители
– Несложные интегральные оптические приборы
– Источники света/детекторы с оконцованными волоконными выводами
• 16 – Специализированное оптоволокно по низкой цене, предназначенное для волоконно-оптических датчиков
• 17 – Сложные интегральные оптические приборы
• 18 – Волоконно-оптические гироскопы по низкой цене
• Гидроакустические антенные решетки
• Промышленные системы на базе волоконно-оптических датчиков
• Интеллектуальные системы на базе волоконно-оптических датчиков
– В аэрокосмической области
– В строительстве
С появлением каждого нового успешного продукта стоимость существующих и вновь внедряемых компонент продолжает снижаться, что открывает дорогу наплыву новых серийно выпускаемых волоконно-оптических датчиков. Эту ситуацию иллюстрирует рисунок 1.5. В 1980 году доступно было очень мало компонент, и их стоимость была относительно высокой, а это приводило к тому, что приложения на основе волоконно-оптических датчиков занимали очень небольшую нишу на рынке, и предложение сводилось буквально к нескольким пунктам. К 1990 году стоимость волоконных компонент, источников света и волоконных разветвителей резко упала, а мультиплексные элементы стали легко доступны в продаже по умеренным ценам. На рынке появились также некоторые новые изделия, такие как интегральные оптические приборы, цена на которые была относительно высока. Эти разработки позволили начать использование волоконно-оптических датчиков в качестве измерительной аппаратуры в промышленности и электроэнергетике, а также приступить к внедрению ограниченного количества более сложных опытных образцов волоконно-оптических датчиков, таких как волоконно-оптические гироскопы. Можно ожидать, что к 2000 году существенно возрастет количество устройств доступных на рынке по низким ценам, что позволит разработчикам в области оптических волокон выпустить широкий диапазон устройств, обеспечивающих высокую производительность по значительно более низким ценам, чем допускают существующие технологии. При этом появится возможность использования датчиков в совершенно новых областях науки и техники. В частности новейшие разработки позволят заменить традиционные вращающиеся инерционные датчики волоконно-оптическими гироскопами, шире использовать волоконно-оптические датчики в процессах управления и производства, а также применять их для мониторинга состояния систем и оборудования в аэрокосмической и строительной промышленности.
Все эти разработки повлекут за собой возникновение все больших и более сложных систем на базе слияния телекоммуникаций и технологий применения волоконно-оптических датчиков. При строительстве новых зданий будут использоваться волоконно-оптические системы, которые обеспечат объединение в сеть всех обитателей и позволят создать службы обработки важнейших эксплуатационных характеристик. Такие службы будут выполнять двойную функцию: контролировать температуру, влажность и энергопотребление и передавать наиболее существенную информацию на центральный пункт управления. Полоса пропускания и измерительные возможности оптических волокон предоставят возможности далеко выходящие за пределы современного технического уровня. Аналогичные службы способны обеспечить всеобщую связь, благодаря которой исчезла бы необходимость вручную проверять газовые и электрические счетчики. По такому же принципу могут быть построены централизованные системы безопасности и пожарной защиты, а также координация неотложной помощи.
Чтобы воплотить эти мечты в жизнь, необходимо совершенствовать технические приемы и методы преобразования сырья в оптические компоненты, оптических компонент – в волоконно-оптические датчики, и создания на основе волоконно-оптических датчиков полезных систем. Остальная часть этой книги посвящена обзору избранных тем по каждой из областей и описанию полезных и многообещающих подходов. Мы надеемся, что читатели этой книги найдут в ней много полезного для построения нового лучшего будущего.
Идеальные для использования во многих приложениях датчики должны обладать такими свойствами, как малый вес, небольшой размер, малая мощность, устойчивость к воздействиям внешней среды и электромагнитная помехозащищенность, хорошие показатели производительности и низкая стоимость. С развитием технологий необходимость в датчиках с подобными характеристиками резко возрастает в таких областях, как аэрокосмическая и оборонная промышленность, производство материалов, медицина и строительство. Проникновение волоконно-оптических технологий, которые в 1970-е и 1980-е годы быстро развивались благодаря индустрии телекоммуникаций, на коммерческие рынки для производителей CD-плееров, персональных копировальных устройств и лазерных принтеров, в сочетании со снижением стоимости оптоэлектронных компонентов, позволило технологии волоконно-оптических датчиков раскрыть свои потенциальные возможности по отношению ко многим приложениям.
Книга представляет собой вводный курс в быстро развивающуюся область волоконно-оптических датчиков для инженеров, ученых, аспирантов и студентов старших курсов. Я начал работать над этой книгой в 1981 году. Однако, из-за быстрого увеличения количества активно работающих в этой области специалистов от нескольких на весь мир в конце 1970-х до тысяч – в конце 1980-х, одному человеку стало невероятно трудно самостоятельно написать книгу, которая была бы одновременно и современной, и достаточно глубоко раскрывала тему. Поэтому в начале 1987 я принял решение обратиться за помощью к моим коллегам, работающим в области волоконно-оптических датчиков. Я попросил их написать для этой книги главы по тем областям, в которых они специализируются. Я чрезвычайно им признателен. Все, к кому я обратился в первую очередь, откликнулись положительно и с энтузиазмом. Каждый из авторов глав интенсивно работает в области волоконно-оптических датчиков, и является автором множества признанных во всем мире публикаций по этим вопросам. Насколько это возможно, каждый из авторов стремился сделать свою главу независимой, поэтому книгой можно пользоваться как доступным справочником. В то же время, книга следует плану предварительно подготовленного мной оригинального текста, который, в свою очередь, я использовал при чтении пользовавшихся большим успехом кратких курсов в Калифорнийском Университете в Лос-Анжелесе, на Конференции по технической оптике в “Мак Доннел Дуглас”. Таким образом, книга может использоваться в качестве пособия при чтении курсов студентам, аспирантам, инженерам, а также на промышленных семинарах по волоконно-оптическим датчикам.
Книга начинается с введения и обзора наиболее важных элементов, используемых в волоконно-оптических датчиках. В этой части книги, включающей пять первых глав, рассматриваются вопросы, связанные с оптическими волокнами, источниками излучения, приемниками и оптическими модуляторами. Эти главы преследуют двойную цель – в них не только излагаются основы знаний по волоконно-оптическим датчикам, но и устанавливаются многочисленные связи между описываемыми элементами и технологией волоконно-оптических датчиков. Эти связи укрепляются и расширяются в последующих разделах книги. Многие вопросы, рассматриваемые в этих главах, могут быть интересны также читателям, желающим расширить свои знания в области телекоммуникаций, поскольку базовые компоненты являются ядром большинства традиционных и передовых телекоммуникационных систем. В Главе 1 Эрик Удд предлагает краткий обзор истории появления технологии волоконно-оптических датчиков и предсказывает направления их развития. Написанная Паулем Блашик, Даном Нолан и Эриком Уддом Глава 2 по оптическим волокнам – это базовый вводный курс, в котором описаны виды волокон, используемые в волоконно-оптических датчиках, и физические процессы, связанные с оптическими волокнами, используемыми для измерений. В Главе 3, написанной Эриком Удом, приведен краткий обзор источников излучения с точки зрения разработчика волоконно-оптических датчиков. В Главе 4 Билл Спиллман описывает оптические приемники, рассматривая их с аналогичной точки зрения. В Главе 5 по оптическим модуляторам, написанной Леном Джонсоном, рассматриваются как объемные, так и интегрально-оптические модуляторы, используемые для сдвига фазы и частоты.
Второй раздел этой книги охватывает волоконно-оптические датчики. Раздел начинается с обсуждения внешних или гибридных волоконно-оптических датчиков. В этих типах волоконно-оптических датчиков волокно служит средством доставки сигнала к оптическим черным ящикам, в которых пучки света преобразуются под воздействием информации, часто подвергаясь модуляции по амплитуде или поляризации. Для передачи измененного сигнала снова используются оптические волокна. Глава 6, написанная Гордоном Митчеллом, начинается с обзора датчиков на основе интенсивности, предназначенных для наблюдения за температурой, положением и другими параметрами внешней среды, и продолжается более подробным описанием волоконно-оптического датчика, основанного на интерферометре Фабри-Перо и являющегося одним из первых волоконно-оптических датчиков, которые начали успешно производиться и эксплуатироваться в промышленных масштабах. В Главе 7 Билл Спиллман обсуждает волоконно-оптические датчики, основанные на дифракционных решетках, применяемые в гидрофонах и датчиках перемещения. Далее следует Глава 8, также написанная Биллом Спиллманом, и посвященная датчикам, основанным на изменении поляризации. В ней прекрасно описана эффективность такого подхода, позволяющего реализовать мощный класс волоконно-оптических датчиков. Главы с 9 по 11 охватывают “чистоволоконные” датчики, в которых волокно выступает в качестве чувствительного элемента, измерение происходит при взаимодействии пучка света с возмущенным внешней средой оптическим волокном. Воздействие внешней среды на этот тип датчиков обычно основано на изменении эффективной длины оптического пути пучка света вследствие его взаимодействия с оптическим волокном. Получившийся в результате сдвиг фазы может быть измерен с высокой степенью точности при помощи интерферометрических методов. Производительность таких волоконных датчиков может быть чрезвычайно высокой, и они могут заменить целый класс дорогостоящих датчиков, используемых в настоящее время.
В Главе 9 Эрик Удд описывает интерферометр Саньяка и класс датчиков на основе пассивного кольцевого резонатора, которые могут использоваться в качестве датчиков вращения, заменив применяемые в настоящее время гироскопы. Это может стать одним из наиболее дорогостоящих приложений волоконно-оптических датчиков, рынок которого оценивается в сотни миллионов долларов. Подобные датчики могут также использоваться для измерения других параметров внешней среды; в главе приведен обзор таких методов. В Главе 10 Тони Дэндридж описывает интерферометры Маха-Цендера и Майкельсона, имеющие большое значение для приложений, связанных с подводными акустическими измерениями. Такие датчики имеют высочайшую чувствительность, и путем мультиплексирования их можно объединять в массивы, состоящие из сотен датчиков. В Главе 11 Алан Керси продолжает описывать применяемые методы мультиплексирования, а также распределенные волоконно-оптические измерения, во многих приложениях представляющие реальную альтернативу массивам датчиков.
В заключительном разделе книги потенциальные возможности технологий волоконно-оптических датчиков проиллюстрированы примерами конкретных приложений. В Главе 12 Франк Бухольтц подробно описывает и приводит примеры магнитных датчиков, основанных на эффекте Фарадея, магнитострикции и силе Лоренца. Такие датчики уже применяются для наблюдения за током на электрических коммунальных предприятиях, и имеют широкую перспективу применения в промышленных и военных целях. Джон Бертхольд в Главе 13 предлагает обзор множества применений технологий волоконно-оптических датчиков в промышленности. В этой главе приведены примеры измерения температуры, давления, уровня жидкости, скорости потока, положения, вибрации, химического состава, и тока-напряжения, а также обсуждаются вопросы, связанные с промышленным применением технологий волоконно-оптических датчиков. Книгу завершает Глава 14, в которой Эрик Удд приводит обзор недавно появившегося направления волоконно-оптических интеллектуальных структур. В этой области технологии волоконно-оптических датчиков объединяются с механикой и материаловедением, образуя одно из наиболее многообещающих и быстро развивающихся направлений.
Эта книга не была бы создана без усилий и поддержки множества людей. Прежде всего, я хочу поблагодарить моих соавторов, которые своевременно предоставили высококачественные материалы для выпуска этой книги. Я также хочу поблагодарить моих терпеливых редакторов в John Wiley & Sons, и особенно миссис Беатрис Шуб (Shube) за помощь, оказанную в начале написания этой книги, и мистера Джорджа Телецкий (Telecki), помогавшего мне ее завершить. Компания Мак Доннел Дуглас постоянно поддерживает мои усилия, направленные на развитие волоконно-оптических технологий, и я хочу выразить ее руководству признательность за поддержку и особенно моему другу и наставнику Ричарду Кахилл (Cahill), доктору Роджеру Робертсу, Джералду Джонстону (Johnston), Уильяму Бранчу (Branch), Чарли Марвину (Marvin), Дейву Карнес (Karnes), Кену Френсис (Francis), Дану Грин (Green) и многим другим. Я также чрезвычайно признателен моим сотрудникам по компании Мак Доннел Дуглас, особенно Джону Полю Терьё (Theriault), Стюарту Хигли (Higley), доктору Стиву Ватанаб (Watanabe), доктору Уилу Отагуро (Otaguro), Дейву Тьюббз (Tubbs), доктору Джону Галладжеру (Gallager), Алу Джозефу, доктору Хербу (Herb) Смиту, Джеффу Руссому (Jeff Russom), Рику Балдини (Baldini), Тиму Кларку, Тому Уиверу (Weaver), Джиму Муру (Moore), Джону Марсину (Marcin), Рэю Вагонеру (Wagoner) и почти двум сотням других членов команды рабочей группы по оптическим волокнам компании Мак Доннел Дуглас. Я благодарю мою жену Холли и дочерей Эмилию и Ингрид за проявленное ими терпение в процессе моих усилий.
Наконец, я хочу посвятить мой вклад, внесенный в выпуск этой книги, памяти доктора Вольфганга К. Шубеля (Schuebel) c Wright-Patterson базы военно-воздушных сил, который лидировал в развитии волоконно-оптических гироскопов в США.
Хантингтон Бич, Калифорния
Эрик Удд
Возникновение технологии волоконно-оптических датчиков
Эрик Удд (Eric Udd)
Компания Макдоннел-Дуглас Электроник Системс
Санта-Ана, Калифорния
(Сноска внизу: Волоконно-оптические датчики: Вводный курс для инженеров и научных работников, под редакцией Эрика Удда. 1991 John Wiley & Sons, Inc)
Волоконно-оптические технологии совершили революцию в области телекоммуникаций. Революция началась с ограниченного применения оптических волокон в системах, требующих сверхвысокой производительности. Переворот совершился, когда массовое производство в совокупности с техническими усовершенствованиями смогло обеспечить сверхвысокую производительность, требуя меньших издержек, чем любой другой альтернативный подход. Одновременно происходящие усовершенствование и снижение себестоимости, в сочетании с массовым коммерческим производством привели как к вытеснению аналогов, так и к появлению новых областей применения и выпуску новых товаров, таких как CD-плееры, персональные копировальные устройства и лазерные принтеры. Третья революция произошла благодаря разработчикам, использовавшим достижения быстро растущей области оптоволоконной связи вместе с оптоэлектронными приборами и создавшим волоконно-оптические датчики.
Открываются ошеломляющие перспективы, включающие как возможность замены большинства датчиков состояния окружающей среды, существующих в настоящее время, так и появление на рынке принципиально новых датчиков, предоставляющих не существовавшие ранее возможности. На рисунках 1.1-1.3 представлен обзор видов волоконно-оптических датчиков, разработанных к настоящему времени, и приведены параметры, для измерения которых чаще всего используется каждый тип датчиков. Также указаны главы этой книги, соответствующие типам датчиков. На рисунке 1.1 представлены различные типы волоконно-оптических датчиков с внешним чувствительным элементом или гибридных. В волоконно-оптических датчиках с внешним чувствительным элементом измерение параметров производится в области за пределами волокна. То же относится и к гибридным волоконно-оптическим датчикам. Сами датчики можно рассматривать как “черные ящики”, при этом оптические волокна используются для переноса света к “ящикам” и данных – в обратном направлении. В большинстве случаев понятия датчиков с внешним чувствительным элементом и гибридных датчиков взаимозаменяемы. Основное различие возникает в случае использования энергии светочувствительных элементов, когда луч света используется для приведения в действие электронного датчика, и данные возвращаются обратно по волоконно-оптическому каналу. В этом случае термин “гибридные” является более подходящим.
Рис. 1.1. Волоконно-оптические датчики с внешним чувствительным элементом или гибридные: свет передается на вход чувствительного элемента и принимается с его выхода с помощью волокна.
(Надписи на рисунке: 1 – Волоконно-оптические датчики с внешним чувствительным элементом
2 – Пластины/Диски энкодера Главы 6, 13
• Линейное и угловое положение
3 – Отражение и передача Главы 13, 14
• Давление
• Скорость потока
• Повреждения
4 – Полное внутреннее отражение Главы 6, 13
• Уровень жидкости
• Давление
5 – Дифракционные решетки Глава 7
• Давление
• Акустика
• Вибрация
6 – Флуоресценция Главы 6, 13, 14
• Температура
• Вязкость
• Химический анализ
7 –Соединения, использующие затухающие волны Главы 2, 14
• Температура
• Деформация
8 – Лазерное доплеровское измерение скорости Глава 13
• Измерение скорости потока
9 – Край полосы поглощения Глава 13
• Температура
10 – Эффекты фотоупругости Главы 8, 12
• Давление
• Ускорение
• Вибрация
• Круговое перемещение
11 – Пирометр Главы 6, 13
• Температура
На схеме, приведенной на рис. 1.2, показана большая часть “чистоволоконных” датчиков, то есть датчиков, в которых оптическое волокно используется в качестве чувствительного элемента. Используемое иногда название “чистоволоконные” указывает на то, что измерение производится внутри самого волокна. В этом случае оба названия, как правило, полностью взаимозаменяемы. Большой и важный подкласс датчиков, в которых оптическое волокно используется в качестве чувствительного элемента, или чистоволоконных датчиков – это датчики интерферометрические, показанные на рис. 1.3. Большинство датчиков, обеспечивающих наиболее высокую производительность, относятся именно к этому подклассу. Датчики, представленные на рисунках 1.1-1.3 сгруппированы по категориям, соответствующим наиболее распространенным к настоящему моменту областям разработки. Возможны пересечения; в качестве может быть наиболее важного примера такого пересечения можно рассматривать интерферометрические датчики, многие из которых встроены и продолжают встраиваться в датчики с внешним чувствительным элементом или гибридные устройства.
Из рисунков 1.1-1.3 очевидно, что практически любое явление, которое только можно себе представить, может быть проанализировано после преобразования в оптический сигнал. Для измерения почти всех параметров внешней среды может применяться множество волоконно-оптических датчиков, использующих различные подходы. Часто проблема заключается в разработке датчика, который оценивал бы только требуемый параметр.
Рис. 1.2. Датчики, в которых оптическое волокно используется в качестве чувствительного элемента, или “чистоволоконные” датчики: результат воздействия внешней среды преобразуется в световой сигнал внутри волокна.
(Надписи на рисунке: 1 – Датчики, в которых оптическое волокно используется в качестве чувствительного элемента
2 – Датчики микроизгибов Главы 2, 6, 13, 14
• Деформация
• Давление
• Вибрация
3 – Распределенные датчики
4 – Датчики, использующие абсолютно черное тело Главы 13, 14
• Температура
5 – Интерферометрические датчики Глава 2, 6, 8, 9, 10, 12,14
• Вращение
• Ускорение
• Акустика
• Магнитные поля
• Электрические поля
• Деформация
• Температура
• Давление
• Сила тока
Смотри рис. 1.3
6 – Релеевские датчики Глава 11
• Деформация
• Температура
• Внешний показатель преломления
7 – Рамановские датчики (комбинационные) Глава 11
• Температура
8 – Взаимодействие мод Глава 11
• Деформация
• Давление
• Температура
9 – Квазираспределенные датчики Главы 6, 11, 12, 13
• Акустика
• Ускорение
• Деформация
• Магнитные поля
• Температура
Первоначально проникновение волоконно-оптических датчиков на рынок было обусловлено их преимуществом по производительности. В Таблице 1 перечислены все преимущества таких датчиков по сравнению с традиционными электронными датчиками. Элементы, используемые в волоконно-оптических датчиках, являются абсолютно пассивными по отношению к электричеству (не излучают и не проводят электрический ток), что часто оказывает решающее влияние на успешное применение их в некоторых областях. В медицине это позволяет изолировать пациентов от электрических приборов; в области высокого напряжения исключить проводящие пути, а при размещении обеспечивается совместимость с любыми материалами. Весогабаритные характеристики датчиков являются критичными при их использовании их в таких областях, как аэрокосмическая, и здесь, благодаря своим небольшим весу и размеру, волоконно-оптические датчики получают существенное преимущество по сравнению со многими другими изделиями. К тому же такие датчики невосприимчивы к электромагнитным помехам. Традиционные электрические датчики часто приходится размещать в тяжелой экранирующей оболочке, что значительно увеличивает их стоимость, размер и вес. Устойчивость к воздействиям внешней среды является определяющей при использовании волоконно-оптических датчиков в условиях высокой температуры, а твердотельная структура позволяет им выдерживать предельные уровни вибрационных и ударных нагрузок. К перечисленным выше свойствам можно добавить высокую чувствительность и широкополосность. При объединении каналов матрицы датчиков, широкая полоса пропускания самих оптических волокон позволяет передавать получающиеся в результате данные и тем самым обеспечивает определенное преимущество.
Рис. 1.3. Интерферометрические волоконные датчики.
(Надписи на рисунке: 1 – Интерферометрические волоконно-оптические датчики
2 – Взаимодействие мод Главы 11, 14
• Деформация
• Температура
3 – Саньяк Главы 9, 12, 14
• Вращение
• Ускорение
• Деформация
• Акустика
• Измерение длины волны
• Магнитные поля
• Сила тока
4 – Мах-Цендер Главы 10, 12, 14
• Акустика
• Магнитные поля
• Электрические поля
• Ускорение
• Деформация
• Температура
• Сила тока
5 – Майкельсон Глава 2, 10, 14
• Акустика
• Магнитные поля
• Электрические поля
• Температура
• Деформация
6 – Кольцевой резонатор Глава 9
• Вращение
• Ускорение
7 – Фабри-Перо
8 – Поляризация Главы 8, 12, 13, 14
• Акустика
• Ускорение
• Давление
• Температура
• Деформация
9 – Многомодовые Глава 6
• Температура
• Давление
• Показатель преломления
10 – Одномодовые Главы 6, 10
• Акустика
• Температура
• Давление
Таблица 1.1. Преимущества волоконно-оптических датчиков
Пассивность (датчики полностью диэлектрические)
Легкость
Малогабаритность
Невосприимчивость к электромагнитной интерференции
Способность работать при высоких температурах
Широкая полоса пропускания
Устойчивость к вибрации и ударам
Высокая чувствительность
Возможность уплотнения электрических и оптических сигналов
Стоимость компонент определяется крупным телекоммуникационным и оптоэлектронным рынком сбыта
Рис. 1.4. Тенденции развития волоконно-оптических датчиков.
(Надписи на рисунке: 1 – Стоимость ключевых компонент
2 – Количество компонент, предлагаемых на рынке по низким ценам
3 – Доля рынка
4 – Линии продуктов (ассортимент) волоконно-оптических датчиков
5 – Качество компонентРанние работы по волоконно-оптическим датчикам, как правило, можно отнести к двум основным категориям. Относительно простые волоконно-оптические датчики быстро стали серийно выпускаемыми изделиями, часто благодаря небольшим начинающим фирмам, и сформировали специализированный рынок средств измерений. В качестве одного из первых таких примеров можно рассматривать измерение температуры в области высокого напряжения. Более сложными волоконно-оптическими датчиками, такими как волоконно-оптические гироскопы или гидроакустические приемные антенные решётки, занимались большие производственные фирмы при поддержке правительственных программ, стараясь выйти на потенциально большие высокоплатежеспособные рынки. Первоначальное проникновение на рынок в период с 1980 по 1990 годы в условиях постоянной конкуренции с традиционными технологиями датчиков происходило медленно в значительной степени из-за высокой стоимости ограниченного количества подходящих компонент. Но ситуация быстро меняется, и перспективы выглядят чрезвычайно благоприятно. Как показано на рис. 1.4, стоимость основных оптических элементов быстро падает, в то время как их количество и разнообразие возрастает. Все эти факторы сочетаются с повышением надежности и улучшением качества компонент. В конечном результате это привело к быстрому расширению ассортимента производимых волоконно-оптических датчиков и началу стремительного продвижения их на рынок. Таблица 1.2 иллюстрирует резкие и значительные изменения, касающиеся некоторых ключевых элементов. Стоимость одномодовых лазерных диодов в конце 1970-х годов достигала нескольких тысяч долларов, а их срок службы составлял всего несколько часов. К 1990 году эти элементы использовались в миллионах CD-плееров и лазерных принтеров, их стоимость упала до нескольких долларов за единицу, а ресурс исчислялся десятками тысяч часов. Стоимость одномодового оптического волокна в конце 1970-х годов составляла порядка 10$ за метр, и его было трудно приобрести. В 1990 году использование такого волокна стало нормой в индустрии телекоммуникаций, и ежегодно прокладывались миллионы километров линий связи при стоимости волокна менее 0.10$ за метр. В обоих случаях развитие привело к уменьшению величины стоимости примерно на три порядка и сопровождалось одинаково резким возрастанием качества и улучшением единообразия.
Таблица 1.2. Необходимые компоненты для волоконно-оптических датчиков существенно дешевеют
1980 1990 2000
Лазерные диоды $3000/шт. (опытные образцы) $3/шт. (CD плееры) -
Одномодовое волокно $5-10/м (ограниченное предложение на рынке) $0,1/м (стандартная связь) -
Интегрированные оптические модуляторы Лабораторные образцы $7000/шт. (опытные образцы) $50/шт. (волоконно-оптические гироскопы)
Волоконно-оптические гироскопы Лабораторные образцы $20000/шт. (опытные образцы) $500-1000/шт. (недорогие навигационные приборы
За базовыми элементами последовали более сложные устройства, такие как интегральные оптические модуляторы, которые в конце 1970-х годов были лабораторными диковинками крайне далекими от серийно выпускаемых изделий. К 1990 году эти изделия в небольших количествах появились на рынке, при этом стоимость каждого из них составляла несколько тысяч долларов. И можно с полной уверенностью предсказать, что к 2000 году их стоимость упадет, по крайней мере, до уровня 50$, а на их основе в будущем появятся такие серийно выпускаемые продукты, как волоконно-оптические гироскопы. Этот датчик, который в конце 1970-х годов сам по себе был редким лабораторным прибором, зависит от интегральных оптических фазовых модуляторов, являющихся его ключевым элементом. В 1990 году эти устройства предлагались на рынке в ограниченном количестве по цене 20000$ за единицу. Чтобы обеспечить проникновение на рынок, стоимость устройств со средними характеристиками должна упасть примерно до 500-1000$. А для этого в свою очередь требуется, чтобы стоимость фазовых модуляторов снизилась примерно до 50$ за единицу.
Рис. 1.5. По мере увеличения количества компонент и снижения их стоимости возможности выбора для разработчиков волоконно-оптических датчиков многократно возрастают.
(Надписи на рисунке: 1980
• 1 – Источники света
• 2 – Оптоволокно
• 3 – Детекторы
• 4 – Микрооптика
5 – Небольшое количество компонент
Высокая стоимость
6 – Незначительная ниша на рынке (сегмент рынка)
7 – Радиочастотные измерения температуры
1990
• 8 – Волоконные ответвители
• Фильтры
• Компоненты спектрального мультиплексирования (уплотнения)
• 9 – Низкая стоимость
– Источники света
– Детекторы
– Оптоволокно
• 10 – Несложные интегральные оптические приборы – высокая стоимость
11 – Начальное проникновение на рынок
• 12 – Опытные образцы волоконно-оптических гироскопов
• 13 – Системы измерения мощности
• 14 – Промышленные и лабораторные измерительные приборы
2000
• 15 – Низкая стоимость
– Волоконные ответвители
– Несложные интегральные оптические приборы
– Источники света/детекторы с оконцованными волоконными выводами
• 16 – Специализированное оптоволокно по низкой цене, предназначенное для волоконно-оптических датчиков
• 17 – Сложные интегральные оптические приборы
• 18 – Волоконно-оптические гироскопы по низкой цене
• Гидроакустические антенные решетки
• Промышленные системы на базе волоконно-оптических датчиков
• Интеллектуальные системы на базе волоконно-оптических датчиков
– В аэрокосмической области
– В строительстве
С появлением каждого нового успешного продукта стоимость существующих и вновь внедряемых компонент продолжает снижаться, что открывает дорогу наплыву новых серийно выпускаемых волоконно-оптических датчиков. Эту ситуацию иллюстрирует рисунок 1.5. В 1980 году доступно было очень мало компонент, и их стоимость была относительно высокой, а это приводило к тому, что приложения на основе волоконно-оптических датчиков занимали очень небольшую нишу на рынке, и предложение сводилось буквально к нескольким пунктам. К 1990 году стоимость волоконных компонент, источников света и волоконных разветвителей резко упала, а мультиплексные элементы стали легко доступны в продаже по умеренным ценам. На рынке появились также некоторые новые изделия, такие как интегральные оптические приборы, цена на которые была относительно высока. Эти разработки позволили начать использование волоконно-оптических датчиков в качестве измерительной аппаратуры в промышленности и электроэнергетике, а также приступить к внедрению ограниченного количества более сложных опытных образцов волоконно-оптических датчиков, таких как волоконно-оптические гироскопы. Можно ожидать, что к 2000 году существенно возрастет количество устройств доступных на рынке по низким ценам, что позволит разработчикам в области оптических волокон выпустить широкий диапазон устройств, обеспечивающих высокую производительность по значительно более низким ценам, чем допускают существующие технологии. При этом появится возможность использования датчиков в совершенно новых областях науки и техники. В частности новейшие разработки позволят заменить традиционные вращающиеся инерционные датчики волоконно-оптическими гироскопами, шире использовать волоконно-оптические датчики в процессах управления и производства, а также применять их для мониторинга состояния систем и оборудования в аэрокосмической и строительной промышленности.
Все эти разработки повлекут за собой возникновение все больших и более сложных систем на базе слияния телекоммуникаций и технологий применения волоконно-оптических датчиков. При строительстве новых зданий будут использоваться волоконно-оптические системы, которые обеспечат объединение в сеть всех обитателей и позволят создать службы обработки важнейших эксплуатационных характеристик. Такие службы будут выполнять двойную функцию: контролировать температуру, влажность и энергопотребление и передавать наиболее существенную информацию на центральный пункт управления. Полоса пропускания и измерительные возможности оптических волокон предоставят возможности далеко выходящие за пределы современного технического уровня. Аналогичные службы способны обеспечить всеобщую связь, благодаря которой исчезла бы необходимость вручную проверять газовые и электрические счетчики. По такому же принципу могут быть построены централизованные системы безопасности и пожарной защиты, а также координация неотложной помощи.
Чтобы воплотить эти мечты в жизнь, необходимо совершенствовать технические приемы и методы преобразования сырья в оптические компоненты, оптических компонент – в волоконно-оптические датчики, и создания на основе волоконно-оптических датчиков полезных систем. Остальная часть этой книги посвящена обзору избранных тем по каждой из областей и описанию полезных и многообещающих подходов. Мы надеемся, что читатели этой книги найдут в ней много полезного для построения нового лучшего будущего.