Волоконно-оптичні сенсори контролю шкідливих хімічних компонентів (стр. 2 из 5)
1) датчиком прохідного типу: температуру (на основі вимірювання зміни постійної люмінесценції в багатомодових волокнах, у діапазоні 0...70 0С с точністю 0,04 0С;
2) датчиком відбивного типу: концентрацію кисню в крові (відбувається зміна спектральної характеристики, детектується інтенсивність відбитого світла, оптоволокно - пучкове, з доступом через катетер).
Якщо ж оптичне волокно в датчику використовувати як чуттєвий елемент, то можливі наступні застосування:
1) інтерферометр Майкельсона дозволяє вимірювати пульс, швидкість кровотока: використовуючи ефект Доплера можемо детектувати частоту пульсації - використовуються як одномодові, так і багатомодові волокна; діапазон вимірів: 10-4...108 м/с.
2) на основі неінтерферометричної структури можливо побудувати датчик, що дозволяє визначати дозу іонізуючого випромінювання, використовуване фізичне явища - формування центра фарбування, детектируемая величина - інтенсивність світла, що пропускається.
1.5.Волоконні світловоди і вимірювальні пристрої на їхній основі
Волоконний світловод (рис.1.1, а) складається із серцевини й оболонки, що виконуються зі спеціального кварцового скла [2]. Показник заломлення оболонки вибирається трохи більш низьким, ніж у серцевини. Тому світлові промені, що падають під досить великими кутами із серцевини на границю з оболонкою, будуть зазнавати повного внутрішнього відбиванняння.
У результаті ці промені,що називаються направляючими, будуть поширюватися по світловоду по зиґзаґоподібній траєкторії так, як це показано на рис.1.1, а. Сучасна технологія побудови оптичних волокон настільки досконала, що промені, що направляючі промені можуть поширюватися по світловодам на десятки кілометрів без істотних втрат енергії. В даний час волоконні світловоди широко застосовують для оптичного зв'язку (телеграф, телефон і т.п.). Іншим, більш важливим напрямком є використання оптичних волокон як чуттєві елементи приймачів фізичних величин. Розглянемо фізичні основи роботи таких приймачів.
Відомо, що звичайні фотоелектронні прилади реєструють електричний компонент світлової хвилі. Тому нас буде цікавити напруженість саме електричного поля. Для пройденого через світловод випромінювання вона може бути записана як [3]
де φ – фаза хвилі на виході із волокна рівна:λ - довжина хвилі, nэф - ефективний показник заломлення для напрямляючого світла, L - довжина світловода, Е0 - амплітуда вектора напруженості, ω - частота електромагнітних коливань, t - час. Кожний зі згаданих параметрів хвилі може змінюватися при зовнішніх впливах на світловод, що можна використовувати для цілей реєстрації. У залежності від того, який параметр перетвориться, волоконні приймачі поділяють на амплітудні (зі зміною абсолютної величини вектора Е0 або, що еквівалентно інтенсивності хвилі, пропорційної \Ео\2), поляризаційні (зі зміною напрямку коливань вектора Е0), спектральні (зі зміною частотного спектра) і фазові (зі зміною φ).
Найпростішим амплітудним датчиком є відрізок світловода, що згинається під дією тиску, зусилля, переміщення або інших деформаційних величин. Вигин волокна веде до зменшення кута падіння наравляючих променів, на границю розділу серцевина-оболонка (рис.1.1, б), що приводить до порушення умов повного внутрішнього відбивання. У результаті частина направлячого випромінювання потрапляє в оболонку, де гаситься. Тому інтенсивність світла на виході зі світловода зменшується, що можна зарегіструвати звичайним фотодіодом.
Рис.1.1. Волоконний світловод і амплітудні датчики на його основі. а - пристрій світловода: 1 - серцевина, 2 - оболонка, 3 - полімерне покриття; б - поширення променів у вигнутому световоде. Видно, що на вигнутій ділянці кут падіння променів, що направляються, зменшується. Тому частина світлової потужності проникає в оболонку оптичного волокна; в - пристрій датчика на мікровигинах світловода: 1 - світловод, 2- шорсткуваті поверхні. г-датчик із брегівською решіткою: 1 -світловод, 2 - решітка. Зовнішній вплив змінює період решітки, що приводить до перенастроювання останньої на нову довжину хвилі.
Дифракційна решітка [4,5] (рис.1.1,в) може бути сформована у волокні, виготовленому з кварцу з домішкою германія. Під впливом ультрафіолетового випромінювання показник заломлення такого волокна міняється. Тому при освітленні ділянки світловода інтерференційним полем двох когерентних ультрафіолетових пучків показник заломлення буде змінюватися вздовж осі волокна по синусоїдальному закону відповідно до розподілу інтенсивності інтерференційного поля. Штрихи решітки не зосереджені на поверхні світловода, а проникають на всю його глибину разом із записуючим випромінюванням. Такі глибокі решітки і називають брегівськими. Вона дає більш високу ефективність дифракції в порівнянні зі звичайною. Кути дифракції залежать від періоду решітки.
1.6.Мікрорезонаторні волоконно-оптичні датчики
Оптичний сигнал, поширюючись по кварцовому волоконному світловоду, не підданий електромагнітним наведенням. Ця властивість була використана для створення пасивних волоконно-оптичних датчиків, коли інтенсивність світла, що поширюється по волоконномусвітловоду, змінюється пропорційно вимірюваній величині (температурі, тискові, і т.д.). Однак такий аналоговий оптичний сигнал піддається сильним спотворенняміз-за дрейфів потужності випромінювання лазера і випадкових загасань інтенсивності світла при вигинах волокна. З цієї причини виникла ідея використовувати частоту як інформаційний параметр. У цьому випадку вимірювана величина змінює частоту модуляції світла, а не його амплітуду і, тому, такий сигнал не чуттєвий до довгострокових дрейфів і короткочасних флуктуацій інтенсивності світла у волокні.
Як перетворювач тиску, прискорення, сили і т.д у частоту модуляції світла використовують механічні мікрорезонатори. Найчастіше як мікрорезонатор використовують мікромісток, витравлений у пластині з кремнію і закріплений із двох сторін. Вимірюваний вплив змінює механічна напруга усередині мікрорезонатора і, отже, резонансну частоту його коливань.
Коливання мікрорезонатора реєструються за допомогою волоконно-оптичного інтерферометра, утвореного частково відбиваючою поверхнею мікрорезонатора і торцем волоконного світловоду. При коливаннях мікрорезонатора міняється роздільна здатність інтерферометра, і, тому, світло, відбите назад у волоконний світловод, буде промодульоване на частоті коливань мікрорезонатора. По зміні частоти модуляції світла, ми можемо судити про величину вимірюваного сигналу.
Збудження механічних коливань мікрорезонатора здійснюється пульсуючим світлом з волоконного світловоду. Мікромісток покритий шаром металу і, тому, коли його центральна частина нагрівається оптичним випромінюванням з волокна, мікромісток згинається. Коливання мікрорезонатора можуть виникнути, якщо промодулювати світло з частотою, рівною приблизно частоті власних коливань мікрорезонатора. Щоб сигнал інтерферометра не накладався на збудливий оптичний сигнал, їх розділяють по довжинах хвиль випромінювання.
РОЗДІЛ 2. ІНТЕРФЕРЕНЦІЙНІ ВОЛОКОННО-ОПТИЧНІ ДАТЧИКИ
Явище інтерференції світла лежить в основі багатьох високоточних вимірювальних систем і датчиків переміщення. Використання оптичних волокон дозволяє зробити такі пристрої надзвичайно компактними й економічними. Відомі дві основні схеми волоконно-оптических інтерферометрів: Маха-Цендера і Фабрі-Перо. У волоконно-оптичному інтерферометрі Фабрі-Перо інтерференція відбувається на частково відбиваючому відколі волокна і зовнішньому відбивачі.
2.1. Торцевий волоконно-оптичний інтерферометр Фабрі-Перо
Розглянемо принцип дії торцевого волоконно-оптичного інтерферометра Фабрі-Перо, блок-схема якого зображена на рис.2.1.
Рис.2.1. Блок-схема торцевого волоконно-оптичного інтерферометра Фабрі-Перо.
Випромінювання лазерного діода 1 вводиться у волоконний світловод 2 і через розвітлювач 3 передається на волокно 4. При цьому частина випромінювання відбивається від торця волоконного світловода 4, а інша його частина висвічується в повітря, відбивається від дзеркала 5 і повертається назад у волоконний світловод 4. Промінь, відбитий від торця волоконного світловода, інтерферує із променем, відбитим від дзеркала, і на фотоприймачі 5 реєструється інтенсивність випромінювання, що змінюється періодично в залежності від відстані x0 між торцем світловода і дзеркалом:
При цьому зсув дзеркала на половину довжини хвилі світла змінює різницю фаз інтерферуючих променів на 2π, що відповідає одному періодові варіації інтенсивності випромінювання на фотоприймачі.
З іншої сторони ніяке реальне джерело оптичного випромінювання не є ідеально монохроматичним, а отже він має обмежену довжину когерентності. У випромінюванні лазерного діода звичайно присутні кілька мод, а сумарна ширина спектральної лінії дорівнює приблизно 3-5 нм. Довжина когерентності lс зв'язана із шириною спектра Dlу такий спосіб:
lс= l2/Dl.
Із шириною спектра випромінювання (і довжиною когерентності lс) зв'язана видність (контрастність) інтерференційної картини. При збільшенні різниці ходу інтерферуючих променів видність інтерференційної картини зменшується. При досягненні різниці ходу, рівній довжині когерентності, видність перетворюється в 0.