ОПТИЧЕСКИЕ СЕНСОРЫ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(ФГБОУ ВПО «КубГУ»)

Физико-технический факультет

Кафедра оптоэлектроники

КУРСОВАЯ РАБОТА

ОПТИЧЕСКИЕ СЕНСОРЫ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

Работу выполнил _________________________Тищенко Сергей Станиславович

Курс 3

Специальность 210401 – Физика и техника оптической связи

Научный руководитель

Преподаватель ____________________________________Н.Н.Шутова

Нормоконтролер инженер_________________________________И.А.Прохорова

Краснодар 2013

РЕФЕРАТ

Курсовая работа: 33с., 15 рис., 7 источников.

ОПТИЧЕСКИЕ СЕНСОРЫ, ДАТЧИКИ, ПРИМЕНЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ СЕНСОРОВ, КОНСТРУКЦИИ СЕНСОРОВ, СЕНСОРЫ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ВЕЛЕЧИН.

Объектом разработки данной курсовой работы является обзор оптических сенсоров физико-химических величин. Целью данной работы является обзор сенсоров, а также обзор всевозможных типов и конструкций оптических сенсоров.

В результате выполнения курсовой работы рассмотрены оптические сенсоры физико-химических величин, рассмотрены их виды и конструкции.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	4
1 Определение понятия «сенсор» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	5
2. Оптические сенсоры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	7
3. Характеристика оптического волокна как структурного элемента датчика и систем связи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	9
3.1 Одно- и много модовые оптические волокна . . . . . . . . . . . . . . . . . .	10
4. Классификация волокно-оптических датчиков и примеры их применения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	12
4.1 Волокно оптический интерферометр Фабри-Перо . . . . . . . . . . . . .	12
4.2 Многомодовые дифракционные датчики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	16
4.3 Многомодовые датчики поляризации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	20
5. Применение оптических датчиков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	24
5.1 Применение оптических сенсоров на основе интерферометра Фабри-Перо . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2 Измерение температуры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3 Измерение давления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4 Измерение уровня жидкости . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	24 27 28 30
Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	32
Список использованных источников . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	33

ВВЕДЕНИЕ

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.

В специальной литературе можно встретить описание различных оптических датчиков.

Целью данной работы является исследование конструктивных особенностей и принципов работы оптических датчиков, а также их классификация.

При этом существенно важным является:

1 Произвести обзор существующей литературы для сбора необходимой информации.

2 Описать конструкции и принципы работы оптических датчиков и их структурных элементов.

3 Произвести классификацию оптических датчиков.

4 Изучить способы применения оптических датчиков на практике.

1. Определение понятия «сенсор»

Разные авторы по-разному трактуют понятие "сенсор". У одних – это "чувствительный прибор", искусно созданный человеком "бдительный сторож", у других – "анализатор", распознающий, узнающий нужный объект ("аналит"), у третьих – " датчик " какой-то физической величины (температуры, давления, угла поворота), у четвертых – орган чувств животного или растения и т.д. И всё это частично правильно. Действительно, все сенсоры что-то "чувствуют" (например, изменение температуры, наличие магнитного поля, изменение кислотности раствора и т.п.); за чем-то "бдительно наблюдают"; что-то "распознают" (напр., отклонение от вертикали, появление в воздухе избытка углекислого газа, наличие в воде возбудителя холеры, ...); "измеряют" какую-нибудь физическую величину (напр., освещенность, ускорение, давление, ...). Все они, заменяют или дополняют наши органы чувств. В понятии "датчик" акцент делается на другой важной способности сенсора – на том, что он выдает во внешний мир сигналы о том, что он "чувствует", "распознаёт", "измеряет".

Чтобы точнее определить понятие "сенсор", надо отвлечься от деталей, от того, что именно "чувствует", "распознаёт", "измеряет" сенсор, с какой конкретной целью и как именно он это "делает", каким конкретно образом выдает он сигналы во внешний мир. Главное, общее, что тогда остаётся, – это то, что

1. У сенсора есть "объект наблюдения";
2. Взаимодействуя с объектом наблюдения, под его влиянием сенсор меняет свое состояние ("чувствует", "распознает", "измеряет")
3. Каким-то образом выдает сигналы об этом ("сигнализирует") "пользователю".

Рисунок 1 - Функциональная схема простого сенсора.

Объектом наблюдения является тот материальный объект, процесс, та среда, с которыми взаимодействует сенсор, информацию о которых он "приставлен" собирать. Объектом наблюдения может быть, в частности, и вся окружающая сенсор среда. Для уровня (ватерпаса), например, объектом наблюдения является плоская поверхность, на которой он установлен; для радиоприемника объектом наблюдения является окружающее его антенну электромагнитное поле; для медицинского градусника – тело, находящееся в тепловом контакте с его концом, в котором находится капля ртути.

"Пользователем", получающим, понимающим и использующим сигналы от сенсора может быть человек, другое живое существо, автоматическая система управления, регулирования или регистрации, для которых сигналы от сенсора являются "информацией" об объекте наблюдения. Таким образом, отвлекаясь от частностей, мы приходим к следующему определению понятия "сенсор".

Сенсор – это устройство (прибор, орган, узел), преобразующее физическое (физико-химическое) изменение в объекте наблюдения, его физическое воздействие в информационный сигнал для пользователя. Сенсор – это связующее звено между реальным "физическим" миром и миром информационных моделей, между материей и информацией.

Сенсоры поставляют "пользователю" важнейшую объективную исходную информацию, на основе которой только и можно предвидеть события, разумно вести себя в мире, судить о том, насколько созданные и применяемые пользователем информационные модели адекватны реальным процессам и объектам, с которыми он имеет дело.

2. Оптические сенсоры

Оптические сенсоры — небольшие по размерам электронные устройства, способные под воздействием электромагнитного излучения в видимом, инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах подавать единичный или совокупность сигналов на вход регистрирующей или управляющей системы. Оптические сенсоры реагируют на непрозрачные и полупрозрачные предметы, водяной пар, дым, аэрозоли. Они отличаются большим разнообразием и массовостью применения. По принципу оптико-электрического преобразования эти сенсоры можно разделить на четыре типа: на основе эффектов фотоэлектронной эмиссии, фотопроводимости, фотогальванического и пироэлектрических.

Фотогальваническая эмиссия, или внешний фотоэффект, - это испускание электронов при падении света физическое тело. Для вылета электронов из физического тела им необходимо преодолеть энергетический барьер. Поскольку энергия фотоэлектронов пропорциональна hc/л (где h - постоянная Планка, с - скорость света, л - длина волны света), то, чем короче длина волны облучающего света, тем больше энергия электронов и легче преодоление ими указанного барьера.

Эффект фотопроводимости, или внутренний фотоэффект, - это изменение электрического сопротивления физического тела при облучении его светом. Среди материалов, обладающих эффектом фотопроводимости, - ZnS, CdS, GaAs, Ge, PbS и др. Максимум спектральной чувствительности CdS приходится приблизительно на свет с длиной волны 500-550 нм, что соответствует приблизительно середине зоны чувствительности человеческого зрения. Оптические датчики, работающие на эффекте фотопроводимости, рекомендуется использовать в экспонометрах фото- и кинокамер, в автоматических выключателях и регуляторах света, обнаружителях пламени и др. Недостаток этих датчиков - замедленная реакция (50 мс и более).

Фотогальванический эффект заключается в возникновении ЭДС на выводах p-n-перехода в облучаемом светом полупроводнике. Под воздействием света внутри p-n-перехода появляются свободные электроны и дырки и генерируется ЭДС. Типичные сенсоры, работающие по этому принципу, - фотодиоды, фототранзисторы. Такой же принцип действия имеет оптико-электрическая часть двухмерных твердотельных сенсоров изображения, например датчиков на приборах с зарядовой связью (ПЗС-датчиков). В качестве материала подложки для фотогальванических датчиков чаще всего используется кремний. Сравнительно высокая скорость отклика и большая чувствительность в диапазоне от ближней инфракрасной (ИК) зоны до видимого света обеспечивает этим сенсорам широкую сферу применения.

Пироэлектрические эффекты - это явления, при которых на поверхности физического тела вследствие изменений поверхностного температурного "рельефа" возникают электрические заряды, соответствующие этим изменениям. Среди материалов, обладающих подобными свойствами: и множество других так называемых пироэлектрических материалов. В корпус сенсора встроен полевой транзистор, позволяющий преобразовывать высокое полное сопротивление пиротехнического элемента с его оптимальными электрическими зарядами в более низкое и оптимальное выходное сопротивление сенсора. Из сенсоров этого типа наиболее часто используются ИК-датчики.

Среди оптических сенсоров мало найдется таких, которые обладали бы достаточной чувствительностью во всем световом диапазоне. Большинство сенсоров имеет оптимальную чувствительность в довольно узкой зоне ультрафиолетовой, или видимой, или инфракрасной части спектра.

Основные преимущества перед датчиками других типов:

1. Возможность бесконтактного обнаружения.

2. Возможность (при соответствующей оптике) измерения объектов как с чрезвычайно большими, так и с необычайно малыми раз мерами.

3. Высокая скорость отклика.

4. Удобство применения интегральной технологии (оптические датчики, как правило, твердотельные и полупроводниковые), обеспечивающей малые размеры и большой срок службы.

5. Обширная сфера использования: измерение различных физических величин, определение формы, распознавания объектов и т.д.

Наряду с преимуществами оптические датчики обладают и некоторыми недостатками, а именно чувствительны к загрязнению, подвержены влиянию постороннего света, светового фона, а также температуры (при полупроводниковой основе).

3. Характеристика оптического волокна как структурного элемента датчика и систем связи

Прежде чем оценивать значимость этих характеристик для обеих областей применения, отметим общие достоинства оптических волокон:

широкополосность (предполагается до нескольких десятков терагерц);

малые потери (минимальные 0,154 дБ/км);

малый (около 125 мкм) диаметр;

малая (приблизительно 30 г/км) масса;

эластичность (минимальный радиус изгиба 2 MM);

механическая прочность (выдерживает нагрузку на разрыв примерно 7 кг);

отсутствие взаимной интерференции (перекрестных помех типа известных в телефонии "переходных разговоров");

безындукционность (практически отсутствует влияние электромагнитной индукции, а следовательно, и отрицательные явления, связанные с грозовыми разрядами, близостью к линии электропередачи, импульсами тока в силовой сети);

взрывобезопасность (гарантируется абсолютной неспособностью волокна быть причиной искры);

высокая электроизоляционная прочность (например, волокно длиной 20 см выдерживает напряжение до 10000 B);

высокая коррозионная стойкость, особенно к химическим растворителям, маслам, воде.

В области оптической связи наиболее важны такие достоинства волокна, как широкополосность и малые потери, причем в строительстве внутригородских сетей связи наряду с этими свойствами особое значение приобретают малый диаметр и отсутствие взаимной интерференции, а в электрически неблагоприятной окружающей среде — безындукционность. Последние же три свойства в большинстве случаев здесь не играют какой-либо заметной роли.

В практике использования волоконно-оптических датчиков имеют наибольшее значение последние четыре свойства. Достаточно полезны и такие свойства, как эластичность, малые диаметр и масса. Широкополосность же и малые потери значительно повышают возможности оптических волокон, но далеко не всегда эти преимущества осознаются разработчиками датчиков. Однако, с современной точки зрения, по мере расширения функциональных возможностей волоконно-оптических датчиков в ближайшем будущем эта ситуация исправится.

Как будет показано ниже, в волоконно-оптических датчиках оптическое волокно может быть применено просто в качестве линии передачи, а может играть роль самого чувствительного элемента датчика. В последнем случае используются чувствительность волокна к электрическому полю (эффект Керра), магнитному полю (эффект Фарадея), к вибрации, температуре, давлению, деформациям (например, к изгибу). Многие из этих эффектов в оптических системах связи оцениваются как недостатки, в датчиках же их появление считается скорее преимуществом, которое следует развивать.

Следует также отметить, что оптические волокна существенно улучшают характеристики устройств, основанных на эффекте Саньяка.

3.1 Одно- и много модовые оптические волокна

Рисунок 2 - Одномодовое (а) и многомодовое (б) оптическое волокно.

Оптическое волокно обычно бывает одного из двух типов: одномодовое, в котором распространяется только одна мода (тип распределения передаваемого электромагнитного поля), и многомодовое — с передачей множества (около сотни) мод. Конструктивно эти типы волокон различаются только диаметром сердечника — световедущей части, внутри которой коэффициент преломления чуть выше, чем в периферийной части — оболочке.

В технике используются как многомодовые, так и одномодовые оптические волокна. Многомодовые волокна имеют большой (примерно 50 мкм) диаметр сердечника, что облегчает их соединение друг с другом. Но поскольку групповая скорость света для каждой моды различна, то при передаче узкого светового импульса происходит его расширение (увеличение дисперсии). По сравнению с многомодовыми у одномодовых волокон преимущества и недостатки меняются местами: дисперсия уменьшается, но малый (5...10 мкм) диаметр сердечника значительно затрудняет соединение волокон этого типа и введение в них светового луча лазера.

Вследствие этого одномодовые оптические волокна нашли преимущественное применение в линиях связи, требующих высокой скорости передачи информации (линии верхнего ранга в иерархической структуре линий связи), а многомодовые чаще всего используются в линиях связи со сравнительно невысокой скоростью передачи информации. Имеются так называемые когерентные волоконно-оптические линии связи, где пригодны только одномодовые волокна. В многомодовом оптическом волокне когерентность принимаемых световых волн падает, поэтому его использование в когерентных линиях связи непрактично, что и предопределило применение в подобных линиях только одномодовых оптических волокон.

Напротив, хотя при использовании оптических волокон для датчиков вышеуказанные факторы тоже имеют место, но во многих случаях их роль уже иная. В частности, при использовании оптических волокон для когерентных измерений, когда из этих волокон формируется интерферометр, важным преимуществом одномодовых волокон является возможность передачи информации о фазе оптической волны, что неосуществимо с помощью многомодовых волокон. Следовательно, в данном случае необходимо только одномодовое оптическое волокно, как и в когерентных линиях связи. Тем не менее, на практике применение одномодового оптического волокна при измерении нетипично из-за небольшой его дисперсии. Короче говоря, в сенсорной оптоэлектронике, за исключением датчиков-интерферометров, используются многомодовые оптические волокна. Это обстоятельство объясняется еще и тем, что в датчиках длина используемых оптических волокон значительно меньше, чем в системах оптической связи.

4. Классификация волокно-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.

4.1 Волокно оптический интерферометр Фабри-Перо

Явление интерференции света лежит в основе многих высокоточных измерительных систем и датчиков перемещения. Использование оптических волокон позволяет сделать такие устройства чрезвычайно компактными и экономичными. Известны две основные схемы волоконно-оптических интерферометров: Маха-Цендера и Фабри-Перо. В волоконно-оптическом интерферометре Фабри-Перо интерференция происходит на частично отражающем сколе волокна и внешнем отражателе. Размер чувствительного элемента датчика перемещений, основанного на этом принципе, сопоставим с диаметром волоконного световода, т.е. около 0,1 мм, а его чувствительность может достигать долей ангстрема. При этом сам чувствительный элемент помехоустойчив к внешним электромагнитным наводкам.

Рассмотрим принцип действия торцевого волоконно-оптического интерферометра Фабри-Перо.

Рисунок 3 – Схема интерферометра Фабри-Перо.

Излучение лазерного диода 1 вводится в волоконный световод 2 и через ответвитель 3 передается на волокно 4. При этом часть излучения отражается от торца волоконного световода 4, а другая его часть высвечивается в воздух, отражается от зеркала 5 и возвращается обратно в волоконный световод 4. Луч, отраженный от торца волоконного световода, интерферирует с лучом, отраженным от зеркала, и на фотоприемнике 5 регистрируется интенсивность изучения, изменяющаяся периодически в зависимости от расстояния x0 между торцом световода и зеркалом:

При этом смещение зеркала на половину длины волны света изменяет разность фаз интерферирующих лучей на 2p, что соответствует одному периоду вариации интенсивности излучения на фотоприемнике. 

Рисунок 4 – Спектрограмма.

С другой стороны никакой реальный источник оптического излучения не является идеально монохроматическим, а следовательно он имеет ограниченную длину когерентности. На рисунке приведён типовой спектр полупроводникового лазерного диода, используемого в волоконно-оптическом интерферометре. Из спектрограммы видно, что в излучении лазерного диода присутствуют четыре моды, а суммарная ширина спектральной линии равна примерно 3 нм. Длина когерентности lc связана с шириной спектра Dl следующим образом:

lc= l2/Dl

С учётом этой формулы получаем, что длина когерентности источника со спектром, приведённым выше, составляет примерно 570 мкм.

С шириной спектра излучения (и длиной когерентности lc) связана видность (контрастность) интерференционной картины. При увеличении разности хода интерфирирующих лучей видность интерференционной картины уменьшается. При достижении разности хода, равной длине когерентности, видность обращается в 0. 

Рисунок 5 – Зависимость интенсивности от разности хода.

Рисунок показывает зависимость интенсивности интерференции двух интерферирующих от их разности хода l. Эта зависимость описывается формулой

где I0 - интенсивность каждого из интерферирующих лучей, l - длина волны света.

Приведённая выше формула описывает полную интерференцию двух лучей одинаковой интенсивности. В общем случае их интенсивности могут быть существенно различными (например, в волоконно-оптическом интерферометре, где луч, отражённый от торца, оказывается на порядок более слабым, чем луч, отражённый от зеркала и попавший назад в волокно. В этом случае 100-процентная видность интерференции не достигается даже при нулевой разности хода интерферирующих лучей.

где j - разность фаз интерферирующих лучей, I1 и I2 - их интенсивности. g - степень когерентности.

В случае волоконно-оптического интерферометра Фабри-Перо I1 = R1I0 - интенсивность света, отражённого от скола волокна; I2 = (1-R1)2RI0 - интенсивность света отражённого от зеркала и возвращённого в волокно (R1 и R - коэффициенты отражения торца волокна и зеркала соответственно). В случае кварцевого волокна R1=0,04 - френелевский коэффициент отражения границы раздела кварц-воздух. Таким образом, интенсивность света, регистрируемая фотоприёмником, равна:

В общем случае процент излучения, отражённого от зеркала и возвращённого в волокно, зависит от расстояния между отражателями. Это связано с тем, что свет, исходящий из волокна, расходится под некоторым углом и лишь часть его, будучи отражённой от зеркала, попадает обратно в волокно и участвует в интерференции. Типовая зависимость оптической мощности, регистрируемой фотоприёмником, от расстояния между отражателями интерферометра приведена на рисунке ниже.

Рисунок 6 - Зависимость мощности от расстояния.

4.2 Многомодовые дифракционные датчики

Волоконно-оптические датчики можно разделить на два класса: датчики, в которых исследуемое явление воздействует на свет во время его распространения по оптическому волокну, и датчики с внешним чувствительным элементом, в которых свет выводится из оптического волокна, подвергается воздействию и снова запускается в волокно для передачи в блок обработки сигнала. Здесь мы рассмотрим датчики с внешним чувствительным элементом, механизм преобразования которых основан на эффекте, создаваемом дифракционной решеткой. Многие наиболее удачные многомодовые волоконно-оптические датчики, которые были продемонстрированы, основаны на свойствах решеток. Решетка представляет собой оптически прозрачную основу с чередующимися прозрачными и поглощающими областями. Решетки применяются при измерении множества параметров, при этом для измерений используются как интенсивность, так и длина волны. Принцип работы решеток основан на модуляции, которая может проявляться как изменение интенсивности, длины волны или того и другого. Выполняется большая работа по развитию датчиков этого типа. Продемонстрированы дифракционные датчики для измерения смещения, давления, а также гидрофоны. В этой главе приведено описание основ теории методов дифракционной модуляции и датчиков, основанных на взаимном движении пары решеток и на нестандартной структуре решеток. Далее подробно описаны примеры возможного использования этих методов для измерения множества различных физических параметров.

Рисунок 7 - Дифракция света на сплошном объекте

Прежде чем анализировать свойства оптических решеток, необходимо изучить дифракцию. В явлении дифракции проявляются свойства света, существенно отличающиеся от тех, которые можно было бы ожидать на основании лучевой геометрической оптики. Самый простой пример дифракции можно наблюдать, изучая тень, отбрасываемую каким-либо предметом правильной четкой формы, таким как монета, при освещении квазимонохроматическим источником. Геометрическая оптика предсказывает, что тень, отбрасываемая монетой, должна быть идеальным темным кругом с контуром, соответствующим периметру монеты. Такая тень видна, но если более внимательно изучить ее края, обнаружится, что они не так уж отчетливо очерчены. Скорее они состоят из множества чередующихся темных и светлых областей (полос). При дальнейшем рассмотрении обнаружится, что сама тень не однородно темная, а постепенно темнеет по мере приближения к центру. В целом дифракцию можно определить как воздействие препятствий на проходящее излучение.

Существует два вида дифракции — дифракция Фраунгофера и дифракция Френеля. Дифракцию Френеля называют дифракцией ближнего поля, а дифракцию Фраунгофера проявлениями дальнего поля. Во втором случае предполагается параллельный коллимированный пучок света, а первый — не содержит такого ограничения. Таким образом, дифракция Фраунгофера — это частный случай дифракции Френеля, но, поскольку ее намного проще описать аналитически, мы будем ее рассматривать для демонстрации определенных характерных проявлений дифракции.

Самый простой для изучения случай — это дифракция на одной щели. В этом случае свет проходит через узкую щель и проецируется на экран. Наблюдается центральный максимум I0 - В других областях экрана происходит интерференция между светом, дифрагированным верхним и нижним краями щели. Все пары лучей света, проходящие через фрагменты щели на расстоянии а/2 один от другого, будут иметь одинаковую разность дальностей распространения b. При этом, в частности, ослабляющая интерференция возникнет при b, равном целому числу, умноженному на /2. Однако, поскольку sin — b/(a/2), получаем

asin = m

где т — целое, с абсолютной величиной, равной или большей 1. Это уравнение для минимумов дифракции Фраунгофера на одной щели. Изучение этого уравнения позволяет обнаружить два существенных момента. Во-первых, при уменьшении а (сужении щели) минимумы появляются при большем значении в. Во-вторых, при постоянном значении ширины щели а в увеличивается вместе с длиной волны (т. е. красный свет преломляется сильнее, чем синий). Это противоположно тому, что происходит при преломлении, когда это явление обусловлено общим уменьшением показателя преломления в оптических материалах при уменьшении длины волны (хроматическая дисперсия).

Разрешающая способность оптических систем часто ограничена дифракцией. Примером этого может служить проблема, возникающая при попытке с помощью телескопа разделить изображения двух отдельных звезд, расположенных в непосредственной близости. Дифракционные картины света двух звезд, создающиеся в телескопе, перекрывают одна другую. Если центральные максимумы расположены достаточно близко, они выглядят, как один. Если максимум, созданный светом одной звезды, совпадает с первым минимумом, созданным светом другой, — достигнуто предельное разрешение. Если картины раздвигать дальше, то разрешение между двумя звездами будет более отчетливо. Условие предельного разрешения называется критерием Рэлея. Для данной линзы критерий Рэлея позволяет вычислить минимальный угол разрешения. Если линза имеет диаметр D и полностью освещена светом с длиной волны А, то минимальный угол разрешения

min=1,22/D

С практической точки зрения наиболее полезное устройство, основанное на дифракции, это дифракционная решетка. В этом случае решетка пропускает свет через совокупность щелей шириной а каждая, отстоящих на расстояние s одна от другой. Это расстояние называется периодом решетки. Простой анализ для света, падающего на решетку перпендикулярно, позволяет получить уравнение решетки s

sin=m

определяющее положение максимумов для света с длиной волны . Более строгий анализ, принимающий во внимание количество щелей N и ширину щелей, позволяет получить угловое распределение оптической мощности I(), падающей на экран. В этом случае нормализованное распределение оптической мощности задается формулой

I()=sin2A1sin2NA2/A21sin2A2

где А1 и А2 определены как

A1=a sin/ A2=s sin/

Падающий свет

Рисунок 8 - Дифракция на множестве щелей

Величина А1 представляет влияние дифракции на одной щели, А2 — интерференцию от множества щелей. Изучение уравнения показывает, что положение главных максимумов решетки связано с квадратом количества щелей. Следовательно, увеличение количества щелей приводит к усилению центральных максимумов различных порядков и подавлению вторичных эффектов дифракции между ними.

Наконец, две другие характеристики решетки, представляющие интерес, это угловая дисперсия и разрешающая способность. Угловую дисперсию можно вычислить непосредственно из основного уравнения решетки, если взять производную от обеих частей, полагая s и m постоянными. Получится

d/d=m/s cos

Можно видеть, что изменение угла при изменении длины волны увеличивается при увеличении порядка. Более сложный анализ требуется для определения разрешающей способности или наименьшего отличия длины волны , которое может быть обнаружено при данной длине волны и порядке т решеткой с N

4.3 Многомодовые датчики поляризации

Феноменологическое описание поляризации и запаздывания

Одним из наиболее важных свойств светового луча является тип его поляризации. Разрешенными видами поляризации являются линейная, эллиптическая или круговая. Любое электромагнитное излучение можно представить как совокупность составляющих, каждая из которых обладает определенным состоянием линейной поляризации. На рисунке 9 представлен «мгновенный снимок» электрического поля с одной из основных плоских волновых компонент светового луча. Направление поляризации определяется как направление электрического поля, связанного с компонентой, которое перпендикулярно направлению распространения. Результатом усреднения по времени большого числа компонент, поля которых накладываются друг на друга, в дополнение к разрешенным видам поляризации, могут проявиться неполяризованные или частично поляризованные.

Энергия, переносимая плоской волной, напрямую связана с квадратом электрического поля, связанного с волной. Это можно показать, вычисляя вектор Умова - Пойнтинга, определяющий энергию, переносимую волной.

Распространяющаяся электромагнитная волна

Электрическое поле

Направление распространения

Рисунок 9 - «Мгновенный снимок» распространяющейся электромагнитной волны

Теперь для определения энергии волны может быть использован вектор Умова - Пойнтинга Р =1/2 EхH Если вектор Е направлен по оси х, а Н — по оси у, вектор Умова - Пойнтинга равен

P = ^ExH = z(/4)1/2E20

поскольку для случая плоской волны Н=(/4)1/2E, где — диэлектрическая постоянная и — магнитная постоянная среды. Для анализа рассмотрим такие псевдоэлектрические поля, связанные с лучами света, абсолютная величина которых в квадрате равна интенсивности луча. Эти псевдополя равны реальным полям с точностью до коэффициента пропорциональности

e=(/4)1/4E

так что

I = e.e*=(/4)1/2E20

где I — энергия на единицу площади светового пучка.

Для того чтобы описать различные состояния поляризации, возможные для луча света, рассмотрим две линейно поляризованные плоские волновые компоненты, каждая из которых распространяется в направлении z. Векторы амплитуд их электрических полей направлены соответственно вдоль осей х и у. Соответствующие псевдополя можно представить в виде

E1=xaxe-i(t-kz+x)

где Х и У представляют соответствующую фазу каждой из волн по отношению к некоторой опорной точке на оси z. Уравнения можно переписать в виде

e1=xAxei(0), e2=yAyei

Комплексные пространственные и временные изменения полей теперь включены в Аx и Аy, и опорная точка на оси z смещена так, что x=0 и y=. Теперь можно сказать, что величина e1 запаздывает на относительно

Возможные состояния поляризации теперь можно построить, рассматривая сумму векторов e1 и е2:

ETxAx+yAyei

Если Аx = Аy = А и = 0, то

ET(=0)=A(x+y)

Здесь луч поляризован в направлении /4, когда наблюдатель, стоя лицом к оптическому источнику, видит луч. Если =, тогда

eT=(=)=A(x-y)

т.е. свет поляризован в направлении — /4.

Если выполнить «мгновенный снимок» электрического поля (t = 0), можно увидеть, что поля в уравнениях и изменяются в зависимости от положения на оси z, как компонента cos kz, входящая в А. Если, с другой стороны, выбрана определенная точка на оси z, изменения в этой точке будут пропорциональны cost. Оба этих случая представляют собой линейную поляризацию.

Теперь рассмотрим случай =2/2, или четвертьволновое запаздывание. В этом случае сумма векторов ет становится равной

ET=a(x cos(t-kz)-ysin(t-kz))

При t = 0 вектор поля остается постоянным по величине, но вращается вокруг оси z при изменении положения z. Аналогично, при z = 0 полученный вектор вращается вокруг оси z с течением времени. Этот тип поляризации называется круговой поляризацией, поскольку конец вектора поля описывает окружность. Величина запаздывания /2 создает левую круговую поляризацию; т. е. для наблюдателя, смотрящего прямо на источник, вектор поля вращается влево, против часовой стрелки. При =-/2 вектор поля вращается по часовой стрелке, что определяет правую круговую поляризацию.

Для величин , не равных m/2, где m — целое, конец вектора электрического поля описывает эллипс, и, следовательно, этот тип поляризации называется эллиптической поляризацией. Она может быть левой или правой эллиптической, как и в случае круговой поляризации.

Обобщенное выражение для суммарного поля с произвольным запаздыванием определяется как

eT=a(xe-i(t-kz)-ye-i(t-kz+))

Это тем не менее весьма редкий случай для измеряемого вектора поля. Обычно измеряется оптическая мощность, переносимая при конкретной поляризации. Чтобы вычислить получаемую оптическую мощность как функцию оси пропускания поляризатора (угол относительно оси х), следует вычислить квадрат скалярного произведения единичного вектора в направлении и вектора поля

I=(x cos+y sin)eT2

Объединяя уравнения получаем

I=a2(1+ sin2 cos)

Графики оптической энергии прошедшего излучения I, при различных ориентациях оси пропускания поляризатора и запаздываниях приведены на рисунке 10, причем угол полярных координат соответствует в и полярный радиус соответствует I.

Рисунок 10 - Интенсивность света в зависимости от угла для нескольких различных состояний поляризации

5. Применение оптических сенсоров

С точки зрения промышленного применения использование оптических сенсоров привлекательно, поскольку они имеют превосходную чувствительность и широкий динамический диапазон, компактны и допускают плотную компоновку, а в перспективе имеют низкую себестоимость и высокую надежность. Первоначально такие датчики использовались в агрессивной внешней среде, где под воздействием высоких температур, коррозийных веществ, высокого уровня электромагнитных помех или при угрозе взрыва традиционные датчики и чувствительные элементы не могут работать соответствующим образом. Приложения для высокотемпературных измерений — это хороший пример, когда датчики, основанные на тугоплавком стеклянном волокне, имеют преимущества по сравнению с электронными тензодатчиками или емкостными датчиками, в которых проволочные соединения могут не выдержать высоких температур. Второй пример — это возможность прокладывать длинные кабели между датчиками и блоками электронной обработки. Волоконно-оптические кабели стали сопоставимы по цене с коаксиальными и даже с двужильными кабелями при прокладке линий длиной в многие тысячи футов. Поскольку оптическое волокно является диэлектрической средой, оно не излучает и не подвержено (по крайней мере, в первом приближении) воздействию электромагнитных помех. Чем острее стоит проблема шума, тем привлекательнее становятся волокна. Волокна не требуют ни экранирования, ни специального заземления и могут проходить в непосредственной близости к высоковольтным линиям. Электронные модули, необходимые для модуляции/демодуляции оптических сигналов, не требуют специальных фильтров в среде с высоким уровнем электромагнитных помех.

5.1 Применение оптических сенсоров на основе интерферометра Фабри-Перо

В область применения этих сенсоров входит мониторинг деформаций, внутренних напряжений. Контроль целостности зданий, мостов, туннелей и т.д. Измерение давления и температуры в резервуарах и хранилищах. Измерение температуры, деформаций, внутренних напряжений и контроль целостности трубопроводов, резервуаров и хранилищ. Измерение физических параметров в агрессивных средах и пожароопасных условиях.

 

Рисунок 11 – Внешний вид прибора

Интерферометрическая волоконно-оптическая система предназначена для прецизионного измерения перемещений, температуры, деформации, давления и других физических величин, которые могут быть преобразованы в механическое перемещение. Высокая чувствительность системы обеспечивается применением интерферометра Фабри-Перо в качестве чувствительного элемента. Система позволяет измерять абсолютное значение базы интерферометра в диапазоне 50…250 мкм с разрешением не хуже 1 нанометра. На этом принципе реализованы датчики давления и температуры.

Работа системы основана на цифровой обработке оптического спектра излучения, отраженного от измерительного зонда. Использование спектрального кодирования обеспечивает высокую помехозащищенность системы и ее нечувствительность к флуктуациям оптической мощности в линии связи.

Система состоит из набора миниатюрных датчиков, подключенных к блоку регистрации волоконно-оптическим кабелем. Конструктивное исполнение датчиков может изменяться в соответствии с техническими условиями заказчика.

Технические характеристики

Разрешение по перемещению 1 нм

Диапазон измерения перемещения 200 мкм

Диапазон измерения деформации ±15 000 ЕОД*

Разрешение по деформации 0.05 ЕОД

Диапазон измерения температуры -300 С +900 C

Разрешение по температуре 0.0050 C

Число измерительных каналов 4

Время измерения 20 ... 300 мс

*) 1ЕОД (единица относительной деформации)=10-6

Конструкция датчика

Конструкция датчика давления и температуры представлена на рисунке 12. Датчик для измерения механического перемещения поверхности образован торцом волокна и контролируемой поверхностью. Измерение температуры производится с помощью измерения толщины оксидной пленки.

Рисунок 12 – Конструкция датчика

5.2 Измерение температуры

Для измерения температуры в промышленных условиях разработано множество методов на основе оптических волокон, и некоторые датчики выпускаются серийно. Представители компании «Вестингауз» (Westinghouse) продемонстрировали распределенные измерения температуры в ядерных реакторах и измерили температуру выхлопного газа двигателя, анализируя спектр лучеиспускания абсолютно черного тела, излучаемого оптическим волокном, расположенном в горячей точке. Отметим, что при возрастании температуры излучение при данной длине волны также возрастает. Этот метод реализован в компании Accufiber Inc. на основе работ Дилса (Dils), и серийно выпускаются датчики для измерения температуры выхлопного газа реактивных двигателей вплоть до 1900 °С. Высокоточные измерения температуры до 300 °С также могут быть выполнены в работающих ректорах.

Рисунок 13 - Схема датчика компании Accufiber на основе сапфирового черного тела и оптический анализатор

Датчик компании Accufiber включает в себя тонкий сапфировый стержень. Измерительный конец стержня покрыт тугоплавким металлом. Другой конец стержня подсоединен к низкотемпературному оптическому волокну за пределами высокотемпературной зоны измерений. Лучистая энергия от раскаленного металлического покрытия проводится по сапфировому стержню и низкотемпературному оптическому волокну к блоку анализа и отображения. Покрытый металлом кончик волокна представляет собой черное тело, спектр излучения которого зависит от температуры в соответствии с законом излучения Планка. Анализ узкой полосы спектра излучения, выходящего из низкотемпературного волокна, выполняется при помощи оптического интерференционного фильтра и фотодетектора, преобразующего энергию излучения в электрическую энергию.

Дистанционные измерения температуры при температурах ниже 400 °С могут быть выполнены при помощи спектрально-селективных методов, используемых несколькими компаниями в серийно выпускаемых устройствах. Такие методы не чувствительны к изменениям излучения черного тела, но скорее регистрируют на вызванные температурой изменения флуоресценции или спектров поглощения определенных специальных веществ. В выпускаемой в настоящее время системе Luxtron светящийся люминофор размещен на кончике оптического волокна в зоне измерения. Импульсы оптического возбуждения вызывают свечение люминофора, и время, за которое угасает свечение, зависит от температуры. Измеряется время т, за которое люминесцентный сигнал S\ спадает в е раз по сравнению с его первоначальной величиной. Температура получается из калибровочной кривой зависимости времени угасания т от температуры . В другой системе измерения температуры компании MetriCor для двух длин волн отслеживается сдвиг края полосы поглощения в полупроводниковом материале в зависимости от температуры.

Рисунок 14 - Схема кончика волокна с люминофорным покрытием, используемого Luxtron в качестве волоконно-оптического датчика температуры

5.3 Измерение давления

Разработано несколько волоконно-оптических датчиков на основе интенсивности, предназначенных для измерения давления в промышленных условиях. Такие датчики могут применяться для наблюдения за давлением в котлах, химических реакторах, двигателях и в теле человека. Компанией Heise выпускается высокоточный чувствительный элемент для измерения давления, в котором мембрана подсоединена к пропускающей дифракционной решетке, расположенной между передающим и принимающим волокнами. В преобразователях компаний Litton и Metricor обеспечивается двуволновая и многоволновая коррекция потерь в соединителях волоконных световодов и самих волокнах.

Волоконно-оптические датчики для измерения давления интенсивно совершенствуются. В особенности датчики, предназначенные для акустических приложений, разрабатываются рамках программы Военно-морских сил США «Системы с использованием волоконно-оптических датчиков». Для измерения переменных флуктуации давления применяются как датчики с внешним чувствительным элементом, так и «чисто-волоконные» датчики, как датчики интенсивности, так и датчики интерферо метрического типа. Для измерения статического давления может быть измерена величина интенсивности излучения, отражаемого от тонкой мембраны, которая прогибается под воздействием прилагаемого давления. Калибровочная кривая такого датчика давления приведена на рисунке 13. Такой датчик, разработанный ОРТЕСН, включает в себя волоконно-оптический отражательный чувствительный элемент. Если раздвоенный жгут применяется так, как показано на врезке на рисунке 13, то половину волокон можно использовать для передачи излучения к волокну, а вторую половину волокон использовать для передачи излучения к фотодетектору. Свет выходящих из входных волокон образует массив пятен, диаметр которых увеличивается при увеличении расстояния от конца жгута пропорционально числовой апертуре волокна. Количество излучения, которое попадает в выходные волокна после отражения от мембраны, зависит от приложенного давления, поскольку в зависимости от давле

ния изменяется расстояние от мембраны до конца жгута.

Разработаны волоконно-оптические датчики для измерения статического давления при высоких температурах. Они могут использоваться для измерения давления в газовых трактах в авиационных двигателях с высокими эксплуатационными характеристиками и для наблюдения за давлением в технологическом процессе на предприятиях, осуществляющих сжижение угля.

0 20 40 60 80 100

Рисунок 15 - Калибровочная кривая соотношения между измеренным и приложенным давлением для датчика давления, показанного на врезке, включающего в себя волоконно- оптический отражатель чувствительный элемент

Металлические мембраны, используемые в обычных датчиках давления, при высоких температурах начинают деформироваться, и измерители деформации или емкостные тензодатчики перестают функционировать. Кроме того, гидросмесь, используемая при технологическом процессе сжижения угля, обладает чрезвычайной едкостью. Чтобы избежать проблем, связанных с деформацией и разъеданием, в качестве материала мембраны используется высокопрочный сплав инконель; а для измерения прогиба мембраны под воздействием приложенного давления используется волоконно-оптический датчик на основе микроизгибов. Было продемонстрировано, что этот датчик способен измерять давление при температуре до 425 °С, при этом он показывает повторяемость, не превышающую 1% точности измерений.

5.4 Измерение уровня жидкости

Было продемонстрировано множество подходов к измерению уровня жидкости при помощи волоконно-оптических датчиков. При одном из подходов волокна используются для передачи света в призму. При, соответствующим образом подобранном угле призмы, происходит полное внутреннее отражение света, когда призма находится в воздухе. Если призма погружается в жидкость, в жидкости происходит преломление света. Таким образом, это устройство действует как выключатель света, зависящий от уровня жидкости. Подобные датчики серийно выпускаются компаниями ЕоТес и Tedeco. При специально разработанных призмах такой подход обеспечивает высокий уровень отношения сигнал/шум при работе по принципу включено - выключено и нечувствительность к наросту отложений на внешних сторонах призмы. Уровень жидкости измеряется также и непрерывными методами через измерения смещений или перемещений. Датчики, непрерывно измеряющие уровень жидкости, применяются в топливных баках и для обнаружения протечек в нефтехимических резервуарах-хранилищах. При этом используются подходы, при которых кодовая маска между двумя фиксированными массивами волокон смещается при изменении уровня или одно из волокон перемещается при изменении уровня относительно другого или нескольких фиксированных волокон.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе курсовой работы были выполнены все поставленные задачи.

Были описаны основные виды конструкции и принципы работы оптических датчиков и их структурных элементов. Оптические сенсоры — небольшие по размерам электронные устройства, способные под воздействием электромагнитного излучения в видимом, инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах подавать единичный или совокупность сигналов на вход регистрирующей или управляющей системы.

По принципу оптико-электрического преобразования эти сенсоры можно разделить на четыре типа: на основе эффектов фотоэлектронной эмиссии, фотопроводимости, фотогальванического и пироэлектрических.

Основными преимуществами оптических датчиков перед датчиками других типов это возможность бесконтактного обнаружения. Возможность (при соответствующей оптике) измерения объектов как с чрезвычайно большими, так и с необычайно малыми раз мерами. Высокая скорость отклика. Удобство применения интегральной технологии, обеспечивающей малые размеры и большой срок службы. Обширная сфера использования: измерение различных физических величин, определение формы, распознавания объектов и т.д.

Наряду с преимуществами оптические датчики обладают и некоторыми недостатками, а именно чувствительны к загрязнению, подвержены влиянию постороннего света, светового фона, а также температуры.

Область применение оптических датчики весьма обширна. Оптические датчики как составная часть автоматизированных систем управления широко применяются для определения наличия и количества предметов, присутствия на их поверхности наклеек, надписей, этикеток или меток, позиционирования и сортировки предметов. С помощью оптических датчиков можно контролировать расстояние, габариты, уровень, цвет и степень прозрачности. Их устанавливают в системы автоматического управления освещением, приборы дистанционного управления, используют в охранных системах.

Список использованных источников

1 Волоконно-оптические датчики», под ред Э. Удда, Техносфера, 2008 – 520с.

2 Окоси Т. и др., "Волоконно-оптические датчики", пер. с япон., Ленинград, Энергоатомиздат,1990 – 256с.

3 Национальный интернет университет / Применение сенсоров-(Рус-Англ).-URL: http://www.intuit.ru/studies/courses/590/446/lecture/5603 [20 марта 2013].

4 Коломиец Л.H. Волоконно-оптические датчики в информационно-измерительных системах//Датчики и системы. 2006. № 1. С.8-14

5 Гармаш В.Б., Егоров Ф.А., Коломиец JI.H., Неугодников А.П., Поспелов В.И. Волоконно-оптические датчики и информационно-измерительные системы // Сб. докладов МНТК «Датчики и системы-2005». Пенза. 6-10 июня 2005. С.19-39

6 Волчихин В. И., Мурашкина Т. И. Проблемы создания волоконно-оптических датчиков // Датчики и системы. Измерения, контроль, автоматизация- 2001. № 7. С.54-58

7 К. Б. Дедушенко, С. А. Егоров, Ю. А. Ершов, И. Г. Лихачев, Интерферометрическая волоконно-оптическая измерительная система «Дозор», Приборы, 2002, № 7(25), с. 23-27.

ОПТИЧЕСКИЕ СЕНСОРЫ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН