Классификация волоконно-оптических датчиков и примеры их применения
Современные волоконно-оптические датчики позволяют измерять почти все.
Например, давление, температуру, расстояние, положение в пространстве,
скорость вращения, скорость линейного перемещения, ускорение, колебания,
массу, звуковые волны, уровень жидкости, деформацию, коэффициент
преломления, электрическое поле, электрический ток, магнитное поле,
концентрацию газа, дозу радиационного излучения и т.д.
Если классифицировать волоконно-оптические датчики с точки зрения
применения в них оптического волокна, то, как уже было отмечено выше, их
можно грубо разделить на датчики, в которых оптическое волокно используется
в качестве линии передачи, и датчики, в которых оно используется в качестве
чувствительного элемента. в датчиках типа "линии передачи" используются в основном многомодовые оптические волокна, а в датчиках сенсорного типа чаще всего — одномодовые.
Рис. 3. Волоконно-оптический датчик проходящего типа.
Рис. 4. Волоконно-оптический датчик антенного типа.
Рис. 5. Волоконно-оптический датчик отражательного типа.
Рис.6. Классификация основных структур волоконно-оптических датчиков:
а) с изменением характеристик волокна (в том числе специальных волокон)
б) с изменением параметров передаваемого света
в) с чувствительным элементом на торце волокна
Применение волоконных световодов не ограничивается системами связи. Активно развивается научно-прикладная область, связанная с разработкой волоконно-оптических датчиков различных физических величин. Это, например, датчики радиации, температуры, механических напряжений, давления. И они могут найти применение в самых широких областях промышленности и хозяйственной деятельности.
Так, с помощью волоконных дозиметров можно легко контролировать целые территории радиационно-опасных объектов, безошибочно определяя даже точечные источники радиации. Принцип работы подобных датчиков основан на радиационно-наведенных потерях в волоконном световоде. Здесь анализируется состояние сразу нескольких световодов, проложенных по контролируемой территории. Специальный анализатор в комплекте с компьютером указывает точное местоположение источника радиации и уровень опасного излучения. Еще недавно аналогов такого прибора не существовало, и, порой, источник излучения приходилось искать с помощью портативного дозиметра, что не только отнимало много времени и материальных ресурсов, но и было смертельно опасно для персонала.
Волоконно-оптические датчики также используются для контроля механических напряжений в инженерных сооружениях. Так, система датчиков, проложенных непосредственно в конструкции, например, моста или корабля, позволяет легко контролировать любые изменения в состоянии отдельных деталей и узлов. Это позволяет предупредить разрушения и сильные деформации конструкции. Такая система может заменить целую команду инженеров по контролю сооружения, например, моста, здания, памятника и пр. На кораблях и самолетах она также незаменима для безошибочного обнаружения не только повреждений, но и ослаблений конструкции. Это открывает новые перспективы для предупреждения техногенных аварий и катастроф, что особенно актуально сейчас для России, где основные мощности серьезно изношены.
Волоконно-оптические датчики для контроля температуры обладают целым рядом преимуществ по сравнению с другими типами подобных устройств. Такой датчик незаменим во многих направлениях современной промышленности. Это устройство имеет малый вес и размер — длина чувствительного элемента составляет 2—10 мм при диаметре 0,1—0,2 мм. Его можно применять в недоступных для других датчиков областях, он нечувствителен к электромагнитным помехам.
Такой датчик может контролироваться на расстоянии до нескольких километров и является абсолютно взрыво- и пожаробезопасным. И, наряду с этими качествами, он обладает высокой чувствительностью. Пока у этих устройств нет аналогов, которые могли бы так же успешно применяться в нефтяной и газовой промышленности, различного рода печах и сушильных установках, например, в СВЧ, турбинах и генераторах, двигателях, различных областях медицины и инженерии, аэронавтике и космонавтике. Последние разработки российских ученых позволили поднять температурный порог использования датчиков до 900°C
Краткая история исследований и разработок В истории волоконно-оптических датчиков трудно зафиксировать какой-либо начальный момент, в отличие от истории волоконно-оптических линийсвязи. Первые публикации о проектах и экспериментах с измерительнойтехникой, в которой использовалось бы оптическое волокно, начали появлятьсяс 1973 г., а во второй половине 1970-х годов их число значительноувеличилось. В 1978 году Нэмото Тосио предложил общую классификациюволоконно-оптических датчиков (рис. 4.), которая мало отличается отсовременной. С наступлением 1980-х годов история развития волоконно-оптических датчиков обрастает значительными подробностями. Волоконно-оптические датчики используют:1) Изменение характеристик волокна (рис. 4.3, а) при механическом воздействии. При этом используются такие физические явления, как эффект Фарадея, эффект Керра.2) Изменение параметров передаваемого света (рис. 4.3, б).3) Преобразование «физическая величина свет». Чувствительным элементом может быть как сам измеряемый объект, так и специальный элемент, прикрепляемый к нему.
Заключение
Основными элементами волоконно-оптического датчика являются оптическое волокно, светоизлучающие (источник света) и светоприемные устройства, оптический чувствительный элемент. Кроме того, специальные линии необходимы для связи между этими элементами или для формирования измерительной системы с датчиком. Далее, для практического внедрения волоконно-оптических датчиков необходимы элементы системной техники, которые в совокупности с вышеуказанными элементами и линией связи образуют измерительную систему.Список литературы1. Окоси Т. и др. Волоконно-оптические датчики.
2. http://www.cnews.ru/