Волоконно-оптические датчики
Балтийский государственный технический университет им. Д.Ф.Устинова «ВОЕНМЕХ»
Кафедра мехатроники, автоматизации и управления
Реферат
Оптоволоконные гироскопические датчики
Выполнила:
Студентка гр. К481
Таничева Е.В.
Преподаватель:
Коротков Е.Б.
Санкт-Петербург
2011
Содержание
Введение 3 От электрических измерений к электронным 4От аналоговых измерений к цифровым 4Цифризация и волоконно-оптические датчики 5Становление оптоэлектроники и появление оптических волокон 5Появление оптических волокон 6Одно- и многомодовые оптические волокна. 6 Характеристики оптического волокна как структурного элемента датчика исистем связи 7Классификация волоконно-оптических датчиков и примеры их применения 9Краткая история исследований и разработок 12Заключение 12Список литературы 13
Введение
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. Издревле человечество искало возможность передачи информации и обмена сообщениями на расстоянии, но значительный прогресс в этом направлении отмечен только в прошлом веке. Между тем, настоящим прорывом стало появление волоконно-оптической связи. Сегодня благодаря новым технологиям, быстро развивается оптоэлектроника, создаются новые волоконно-оптические датчики, используемые для измерения физических величин. По целому ряду параметров новые устройства превосходят свои электронные аналоги и становятся незаменимы в промышленности и инженерии. Использование подобных датчиков открывает новые перспективы для предупреждения техногенных аварий и катастроф, что особенно актуально сейчас для России, где основные мощности серьезно изношены.
Волоконно-оптические датчики
Первые попытки создания датчиков на основе оптических волокон можно отнести к середине 1970-х годов. Опти́ческое волокно́ — нить из оптически прозрачного материала (стекло, пластик), используемая для переноса света внутри себя посредством полного внутреннего отражения. Волоконная оптика — раздел прикладной науки и машиностроения, описывающий такие волокна. Кабели на базе оптических волокон используют волоконно-оптические связи, позволяющие передавать информацию на бо́льшие расстояния с более высокой скоростью передачи данных, чем в электронных средствах связи. В ряде случаев они также используются при создании датчиков. Публикации о более или менее приемлемы в 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 fibersensors). Таким образом, волоконно-оптические датчики — очень молодая область техники. В истории волоконно-оптических датчиков трудно зафиксировать какой-либо начальный момент в отличие от истории волоконно-оптических линий связи. Первые публикации о проектах и экспериментах с измерительной техникой, в которой использовалось бы оптическое волокно, начали появляться с 1973 г.
В японской технической литературе этого периода чаще всего использовался термин «измеритель на основе оптических волокон», а в статьях на английском языке «оптический датчик на волокне». Лишь в 1981 г. термин «волоконно-оптический датчик» признан всеми и окончательно утвердился после состоявшейся в 1982 г. в Лондоне первой международной конференции по волоконно-оптическим датчикам.
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. 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.
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.