Волоконно-оптические датчики: перспективы промышленного применения


PDF версия

В статье рассматриваются принципы построения современных волоконно-оптических датчиков (ВОД) и возможность их применения в различных областях промышленного производства. Подробно рассмотрена современная элементная база оптоэлектроники, а также базовые алгоритмы последетекторной обработки сигналов, применяемые в ВОД. В работе приводятся описания конструкций волоконно-оптических датчиков, нашедших практическое применение в промышленности. Рассмотрены перспективные направления волоконно-оптической сенсорики.

В связи с быстрым развитием автоматизированных систем контроля и управления во всех областях промышленности возрастает потребность в датчиках физических величин — температуры, давления, ускорения, перемещения, тока. Помимо высоких метрологических характеристик, датчики должны обладать большой надежностью, стабильностью, помехоустойчивостью, долговечностью и простотой интегрирования в микроконтроллерные системы управления. Особенно это относится к таким отраслям, как авионика, металлургия, автоэлектроника, теплотехника и энергетика, медицинская техника, высокоточные системы вооружений. Перечисленным требованиям в максимальной степени удовлетворяют волоконно-оптические датчики (ВОД).

До недавнего времени развитие волоконно-оптических датчиков сдерживалось, в основном, двумя факторами. Во-первых, не было дешевых оптоэлектронных компонентов — малошумящих лазерных диодов, высокочувствительных p-i-n-фотодиодов, пассивных волоконно-оптических элементов. Во-вторых, из-за нелинейности оптического сигнала относительно измеряемой величины требуются специальные алгоритмы обработки сигнала (усреднение, нелинейная обработка, интегральные преобразования), а значит — нужен процессор обработки сигнала с высокой производительностью.

С развитием микроэлектромеханики, оптоэлектронных компонентов на основе полупроводниковых гетероструктур, массовым внедрением DSP и сигнальных микроконтроллеров (MSP430, AVR и др.) ситуация на рынке стала улучшаться; появились даже опытные образцы чисто оптических интегральных схем, где носителем информации служит свет, а логические операции выполняются оптическими элементами.

В чем же преимущество применения волоконно-оптических датчиков по сравнению с традиционными полупроводниковыми датчиками в интегральном исполнении? Проведем анализ по отраслям промышленности.

Авионика и автоэлектроника

В этих областях проявляются такие преимущества ВОД, как устойчивость к ЭМ-помехам, способность работать в условиях пониженных (до –70°С) и повышенных (до 150°С) температур, малые габариты и масса. Здесь могут найти применение оптические датчики температуры, линейного и углового положения, акселерометры. В военной и гражданской авиации получили широкое распространение оптические гироскопы на основе кольцевого интерферометра, использующие эффект Саньяка. Так, например, они применяются в инерциальной системе навигации самолетов «Боинг-767», А320, А340, БПЛА «Predator» и др.

Энергетика

Преимущество использования ВОД в этой области обеспечивается их стабильными термо- и электроизоляционными характеристиками, помехозащищенностью и безынерционностью. В этой отрасли могут найти применение волоконно-оптические трансформаторы напряжения (эффект Поккельса), тока (магнитооптические датчики на эффекте Фарадея), датчики температуры. Подобные сенсоры могут быть использованы при создании системы диагностики высоковольтных трансформаторов без их выведения из эксплуатации.

Химическая и нефтегазовая промышленность, металлургия

В этих отраслях востребованы ВОД с бесконтактными методами измерения (лучевые термометры, лучеводы изображения, оптические датчики измерения расхода газов, датчики ускорения и перемещения), которые могут устойчиво функционировать в условиях агрессивных и взрывоопасных сред, высоких температур, интенсивных электромагнитных помех.

Медицина и биотехнологии

В этой специфической области особо проявляются такие преимущества волоконно-оптических датчиков, как гибкость и малый диаметр оптоволокна, химическая и биологическая стойкость, высокое пространственное разрешение. Лидером производства подобных датчиков в настоящее время является корпорация «Оmron».

Типы волоконно-оптических датчиков и принцип их работы

Прежде чем переходить к рассмотрению волоконно-оптических датчиков, рассмотрим функционирование оптического волокна. Современное оптическое волокно состоит из сердцевины, по которой распространяется свет, и оболочки. Снаружи она закрыта полимерной пленкой. Сердцевина представляет собой нить из пластика или стекла с определенными добавками (как правило, германий) для повышения коэффициента преломления. Коэффициент преломления сердцевины n1 примерно на 0,01…0,02 превышает коэффициент преломления оболочки n2. Благодаря этому луч света, направленный в сердцевину, распространяется по ней, многократно отражаясь от границы раздела «сердцевина-оболочка».

Важнейшей характеристикой оптоволокна является числовая апертура NA — максимально возможный угол, с каким свет, введенный в волокно, может распространяться в нем. Числовая апертура определяется коэффициентами преломлений сердечника и оболочки и выражается как:

,

где Δ = (n1/n2) – 1.

Если угол ввода луча света в сердечник меньше NA , то он испытывает полное внутреннее отражение и распространяется только в нем (луч 1 на рис. 1). При нарушении этого условия часть вводимого излучения преломляется и уходит в оболочку, а часть — отражается внутрь сердечника (луч 2).

Рис. 1. Распространение света в волоконном световоде

С числовой апертурой связана нормированная частота. Она определяет, сколько мод (упрощенно — оптических лучей под разными углами) может распространяться в данном волокне. Нормированная частота F вычисляется по следующей формуле:

F = (2π/λ).а.NA,

где а — диаметр сердечника; λ — длина световой волны. Для оптических волокон существует граничное значение Fc. Для рассмотренного оптического волокна со ступенчатым изменением показателя преломления Fc = 2,045. Если рассчитанное значение F превышает эту величину, то распространяется множество мод и волокно называется многомодовым. В противном случае распространяется одна мода и волокно является одномодовым. Многомодовые оптические волокна технологичны, легко соединяются с источниками и детекторами излучения, а также с другими волокнами. Недостаток многомодового волокна — нарушение когерентности источника, поэтому оно может быть использовано для передачи информации только об интенсивности оптического сигнала.

В одномодовых волокнах может использоваться поляризация и фаза когерентного источника, например, полупроводникового лазера, и на его основе возможно построение датчиков с волокном в качестве чувствительного элемента. Основной недостаток одномодового волокна — высокая чувствительность к внешним механическим воздействиям и относительная сложность сопряжения с другими оптическими компонентами. Внешний диаметр многомодовых и одномодовых волокон одинаков и равен 125 мкм. Диаметр сердцевины у многомодового волокна — 50 мкм при Δ ≈ 1%, а у одномодового — 10 мкм при Δ ≈ 0,3%. Более подробно физические основы волоконной оптики изложены в [1].

Волоконно-оптические датчики можно разделить на две группы: датчики с волокном в качестве линии передачи и с одномодовым волокном в качестве чувствительного элемента. Наиболее отработаны в теоретическом и технологическом отношении и постепенно осваиваются в промышленном производстве волоконно-оптические датчики первого типа. Их можно условно поделить на датчики с оптическим преобразователем и датчики с оптическим зондом.

Датчики с оптическим преобразователем представляют собой систему, которая содержит оптический элемент, чувствительный к воздействию измеряемой физической величины, излучатель и приемник. Оптический элемент (преобразователь) помещен между торцами передающего и приемного многомодового волокна. В качестве излучателя обычно используют малошумящий светодиод, а в качестве детектора света — p-i-n-фотодиод. Эти полупроводниковые элементы должны быть электро- и термостабильными.

В датчиках с оптическим зондом зондирующий световой луч, отраженный или рассеянный объектом измерения, поступает в приемную оптическую систему, состоящую из объектива и волокна, выходной торец которого связан с p-i-n-фотодетектором. В датчиках этого типа могут быть использованы многомодовые или одномодовые оптические кабели, а также волоконно-оптические жгуты. В качестве источника света в зависимости от вида измеряемой величины (интенсивность, поляризация, фаза) используются светодиоды или лазеры. Волоконно-оптические датчики на этом принципе отличаются высокой чувствительностью и могут быть использованы для бесконтактных измерений.

Требования к компонентам ВОД

Излучатели

Как отмечалось выше, в качестве
оптических излучателей могут использоваться как когерентные (лазеры), так и некогерентные источники (све-
тодиоды). В ВОД на основе одномодового волокна чаще всего используются арсенид-галлиевые полупроводниковые лазеры в диапазоне длин волн 1,3…1,55 и 0,8…0,95 мкм с выходной мощностью 1…10 мВт. Эти спектральные диапазоны хорошо согласуются с окнами пропускания одномодового волокна. С учетом специфики когерентных измерений лазерные источники должны иметь минимальные фазовые и амплитудные флуктуации (порядка 10–5), и в идеале — одну пространственную моду (распределение вектора напряженности Е световой волны перпендикулярно направлению излучения). Поэтому для управления лазером необходима прецизионная система автоматического регулирования по току и оптическому сигналу, а также термостабилизация. Это влечет значительное удорожание одномодового ВОД.

В многомодовых ВОД используются маломощные (1…10 мВт) светодиоды таких же длин волн с несложными электронными схемами стабилизации интенсивности оптического сигнала (драйверы тока), поскольку регистрируемым параметром является интенсивность.

Фотодетекторы

В современных ВОД используются p-i-n-фотоприемники с минимальным темновым током (десятые доли наноампер), что позволяет достичь чувствительности обнаружения 0,5 мкВт (при отношении сигнал/шум = 1) в полосе 100 МГц. Чувствительность возрастает при уменьшении полосы частот. Данных характеристик вполне достаточно для большинства практических измерений, но в отдельных случаях, когда требуется регистрация слабых световых потоков, применяется метод счета фотонов с использованием фотоэлектронных умножителей — ФЭУ. При этом число фотоэлектронов, возникающих от каждого фотона, увеличивается, и с приходом каждого фотона на выходе ФЭУ появляются импульсы напряжения. При подсчете этих импульсов можно оценить число принятых фотонов.

Оптические элементы

Для согласования активных компонентов ВОД (излучателей, приемников, преобразователей) с оптическим волокном необходимы пассивные элементы — стержневые линзы, поляризаторы, призмы, фазосдвигающие пластины. Принцип действия этих элементов подробно описан в [2]. Оптические элементы должны быть малогабаритными, термостабильными, легко интегрироваться в оптическую схему волоконно-оптического датчика. В качестве примера приведем специфический для ВОД элемент — стержневую линзу (см. рис. 2). В отличие от обычной линзы, поверхности которой криволинейны, стержневая линза имеет цилиндрическую форму с плоскими торцевыми поверхностями, а фокусировка излучения достигается за счет сформированного в линзе распределения коэффициента преломления симметрично оптической оси вдоль радиуса по квадратичному закону.

Рис. 2. Принцип работы стержневой линзы

Последетекторная обработка сигнала в ВОД

Целью последетекторной обработки сигнала является компенсация дрейфа выходного сигнала датчика, который возникает в волоконно-оптической схеме из-за колебаний интенсивности излучения источника, потерь передачи по оптоволокну, воздействия внешних шумовых факторов — температуры, давления, вибрации и др. При обработке сигнала в ВОД наибольшее распространение получили следующие способы компенсации дрейфа: способ двух лучей и метод двух длин волн [2].

Способ двух лучей

Этот метод применяется для датчиков, в которых регистрируемая величина модулирует поляризацию света. Промодулированый вектор поляризации с индексом m = sin φ (где φ — угол вращения поляризации) при помощи поляризационной призмы расщепляется на два луча с ортогональными векторами поляризации P и S. При этом напряжение выходных сигналов фотодетекторов UP и US, пропорциональных оптическим интенсивностям, будет соответственно равно:

UP = U.(1 + m); US = U.(1– m), (1; 2),

где U — напряжение, соответствующее немодулированному исходному лучу.

Процессор схемы обработки вычисляет отношение:

(UP – US)/(UP+US), (3)

и после цифровой фильтрации выходной сигнал пропорционален m и не зависит от флуктуаций световой мощности.

Способ двух длин волн

В преобразователь датчика подается световой сигнал с длиной волны λ1, интенсивность которого модулируется, и с длиной волны λ2, который не модулируется. Затем определяется отношение двух напряжений, соответствующих выходным сигналам фотодетекторов. Функционально этот метод аналогичен предыдущему.

Практические конструкции волоконно-оптических датчиков

Датчик температуры

Принцип работы датчика основан на эффекте флюоресценции. На внешний торец оптического волокна нанесено флюоресцентное вещество (см. рис. 3). Вторичное излучение, возникающее под воздействием зондирующего оптического луча ультрафиолетового диапазона, принимается этим же волокном. Для одной из составляющих флюоресцентного излучения (λ1 = 510 нм) характерна сильная зависимость от температуры измеряемой среды, а для другой (λ2 = 630 нм) — очень слабая.

Рис. 3. Датчик температуры

Температурный сигнал вычисляется как отношение соответствующих интенсивностей на λ1 и λ2 по методу двух длин волн. В качестве зондирующего источника используется ультрафиолетовый светодиод с λ = 300…400 нм.

Диапазон измерения температур подобного датчика –50…200°С; точность — 0,1°С; время отклика — около 0,5 с. Зависимость отношения интенсивностей λ1 и λ2 от температуры показана на рисунке 4.

Рис. 4. Передаточная характеристика датчика температуры

Датчик давления

Датчик давления относится к отражательному типу; в нем используется изменение условия отражения света мембраной. Конструктивно датчик состоит из волоконно-оптического жгута, к одному из торцов которого через небольшой зазор (~100 мкм) подсоединена мембрана.

В центре жгута размещаются приемные оптические волокна, а по краям — зондирующие. Коэффициент связи между зондирующими и приемными волокнами изменяется в зависимости от давления, оказываемого на мембрану. Для повышения точности измерения давления на мембрану наносится фотолюминесцентный материал, обеспечивающий излучение опорного светового сигнала, интенсивность которого практически не зависит от величины давления, и обработка сигнала датчика проводится по методу двух длин волн.

Структурная схема датчика давления показана на рисунке 5. В конструкции датчика используется волоконно-оптический жгут из 100 волокон и чувствительная мембрана толщиной около 20 мкм. На практике такой датчик давления позволяет регистрировать давление жидких сред до 10 кПа.

Рис. 5. Датчик давления отражательного типа

Магнитооптический датчик магнитного поля и тока

Для бесконтактных измерений сильных магнитных полей (свыше 10 Э) и соответствующих токов находит применение волоконно-оптический датчик на магнитооптическом эффекте Фарадея.

Магнитооптический эффект заключается во вращении плоскости линейно поляризованного света, распространяющегося в веществе вдоль силовых линий магнитного поля, проходящих через это вещество. Это открытие Фарадея явилось первым доказательством наличия прямой связи между магнетизмом и светом.

Проходящее через среду линейно поляризованное излучение всегда может быть формально представлено как суперпозиция двух поляризованных по правому и левому кругу волн с противоположным направлением вращения. Намагниченное внешним полем оптически прозрачное вещество в общем случае нельзя охарактеризовать единым показателем преломления n. Показатели преломления n+ и n– для излучения правой и левой круговых поляризаций становятся различными (магнитная анизотропия). Различие n+ и n– приводит к тому, что поляризованные по правому и левому кругу компоненты излучения распространяются в среде с различными фазовыми скоростями, приобретая разность фаз, линейно зависящую от оптической длины пути. В результате на выходе из вещества плоскость поляризации монохроматической световой волны поворачивается на угол φ. При этом знак угла поворота плоскости поляризации не зависит от направления распространения света (по вектору магнитной индукции или против него). Важно лишь, чтобы вектор индукции был параллелен направлению распространения оптической волны.

Радианная мера угла фарадеевского вращения φ при магнитной индукции B и длине оптического пути в веществе L выражается как:

φ =V.B.L, (4)

где V — постоянная Верде, определяющая магнитооптическую активность для данного вещества (зависит от химического состава вещества, температуры и рабочей длины волны).

Учитывая, что между величиной магнитной индукции B и протекающим в обмотке соленоида током существует однозначная связь, магнитооптический датчик можно использовать для измерения тока, который можно вычислить из формулы:

В = 0,0126.N.I/L, (5)

где N — количество витков соленоида; I — протекающий ток; L — длина намотки.

В технике физического эксперимента для измерения магнитных полей получили распространение магнитооптические монокристаллы железоиттриевого граната (ЖИГ). Датчики на их основе обладают чувствительностью порядка 15% изменения интенсивности света на каждые 100 Гс магнитной индукции в частотной полосе ~15 кГц. При изменении температуры от –30 до 120°C изменение амплитуды выходного сигнала составляет около 2%. Рабочая длина световой волны равна 1,3 мкм. Фарадеевские датчики не содержат полупроводниковых компонентов, и поэтому нечувствительны к электромагнитным помехам.

Применение магнитооптического датчика для измерения тока и вектора магнитной индукции соленоида мощного электромагнитного клапана иллюстрирует рисунок 6. Диапазон изменения тока — от 1 А в режиме удержания до 10 А — в стартовом режиме. Оптический датчик закреплен на оси измеряемого соленоида, на расстоянии около 5 мм от верхней плоскости силовой обмотки. Датчик представляет собой цилиндр, содержащий поляризатор, монокристалл ЖИГ и расщепитель выходного луча, к торцам которого подсоединены выходные оптические многомодовые волокна. Входной световод подключен с помощью стержневой линзы к верхнему торцу цилиндра.

Рис. 6. Магнитооптический датчик на эффекте Фарадея

Для повышения помехозащищенности измерений в аппаратуре датчика используется алгоритм обработки сигнала по методу двух лучей. В данном случае прошедшая через магнитооптический кристалл световая волна с плоскостью поляризации, повернутой на угол φ, расщепляется на два луча, имеющие взаимно перпендикулярные плоскости поляризации P и S. Интенсивность каждой компоненты выражается по формулам (1, 2).

Каждый луч детектируется отдельным фотодетектором, после чего DSP вычисляет величину m и далее, с учетом выражений (3—5) рассчитывается величина магнитной индукции В и соответствующий ей ток I соленоида. Данные измерений выводятся на индикатор.

Волоконно-оптический датчик ускорения

Принцип работы датчика основан на эффекте оптического двойного лучепреломления [3]. Существует целый класс кристаллов, в которых одному направлению распространения света соответствуют две пространственные моды с линейной поляризацией. В таких кристаллах коэффициент преломления для направления поляризаций каждой моды изменяется пропорционально приложенному воздействию, в данном случае — механическому со стороны груза, под действием ускорения (см. рис. 7). В этом состоит эффект фотоупругости.

Рис. 7. Датчик ускорения на эффекте фотоупругости

Груз прикреплен непосредственно к оптическому элементу, и при колебаниях груза на элемент действует сила, пропорциональная произведению массы на ускорение, что приводит к появлению двойного лучепреломления. Из-за этого на выходной торцевой поверхности оптического кристалла появляется разность фаз Ψ, пропорциональная разности оптических ходов лучей ∆L, которая зависит от разности коэффициентов преломления мод в кристалле. Если между оптическими модами возникает разность фаз, то световая волна имеет на выходе кристалла круговую поляризацию [2]. Расположенная после фотоупругого элемента четвертьволновая пластина преобразует световые волны с круговой поляризацией в излучение с линейной поляризацией. После анализатора оптическая мощность детектируется фотодетектором. Она подчиняется закону:

Р = Р0.(1 + sin(π.T/Tπ),

где Tπ — величина давления, при котором разность фаз лучей на выходе кристалла равна π (полуволновое давление); T — текущее давление груза на фотоупругий кристалл. Зная массу груза, по величине Т можно оценить ускорение.

С помощью волоконно-оптического акселерометра рассмотренного типа возможно измерение ускорений
0,1…30g с точностью до 1% в частотной полосе до 3 кГц.

Волоконно-оптический гироскоп

Гироскоп является ключевым элементом инерциальной системы управления и навигации, который выполняет функцию измерения угловой скорости. К авиационным и космическим гироскопам предъявляются достаточно высокие требования: минимальное время запуска, высокая разрешающая способность, дрейф нуля не хуже 0,01 град/час, динамический диапазон измерения угловой скорости — 6 порядков, высокая помехозащищенность от спонтанных и регулярных электромагнитных помех.

Во многих авиационных и робототехнических системах до сих пор применяются механические гироскопы, принцип действия которых основан на законе сохранения момента количества движения — удержании оси вращения тела в определенном направлении пространства. При производстве этих приборов требуется высокая точность формы тела вращения, обеспечение минимально возможного трения механических элементов гироскопа, система автоматического регулирования, обеспечивающая высокую степень стабилизации вращения вала гиромотора.

Волоконно-оптические гироскопы кольцевого типа, основанные на эффекте Саньяка, выгодно отличаются от механических гироскопов отсутствием подвижных элементов, высокой чувствительностью и линейной характеристикой измерения, практически мгновенным временем запуска. Кроме того, данные гироскопы не чувствительны к электромагнитным помехам.

Кольцевой волоконно-оптический гироскоп функционирует следующим образом (см. рис. 8). В кольцо из одномодового оптического волокна через оптические линзы (поз. 1, 2) и разделительную оптическую пластину, расположенную под углом 45 градусов относительно оптической оси источника, вводится лазерное излучение.

Рис. 8. Структурная схема волоконно – оптического гироскопа

Благодаря пластине световые волны в оптоволокне распространяются во встречных направлениях. Если система находится в покое относительно инерциального пространства, то оптические пути встречных волн одинаковы, и разность фаз между ними не возникает. При вращении оптической системы с угловой скоростью Ω из-за разности времен достижения разделительной пластины этими волнами возникает разность фаз Φ, выражаемая формулой [2]:

Φ = 4.(2π/λ).S.Ω/c,

где с — скорость света в волокне; S — площадь круга внутри контура оптического кольца; λ — длина волны лазера.

Из-за наличия разности фаз выходных лучей в плоскости зрачка фотоприемника возникает интерференционная картина, а интенсивность принимаемого сигнала выражается как [2]:

Р = Р1 + Р2 + (

).соs Φ,

где Р1, Р2 — интенсивности встречных оптических волн.

После фотодетектирования, исходя из последних двух выражений, блок обработки сигнала рассчитывает угловую скорость вращения Ω. Специальная оптическая система обеспечивает условие Р1 = Р2, так как при этом чувствительность системы к изменениям фазы Φ оптимальна.

Рассмотренный гироскоп позволяет измерять угловую скорость с высокой точностью изменения фазы (до 10–6 рад). На этом принципе уже созданы малогабаритные оптические гироскопы, имеющие катушку из одномодового волокна небольшого радиуса (3—5 см), на которую намотано несколько сотен метров оптоволокна. Они нашли применение в системах автоматического управления и навигации авиационной и космической техники, в появляющихся образцах военной робототехники. В настоящее время в Японии, России, США, Франции ведутся активные исследования в области создания интегральных оптических гироскопов на этом принципе.

Заключение

Основными направлениями развития волоконно-оптических датчиков в настоящее время являются интегрально-оптические технологии, которые позволят объединить электронные схемы обработки и микрооптические компоненты в одном кристалле или микромодуле. Это значительно снизит себестоимость волоконных датчиков и повысит их эксплуатационные характеристики.

Другим перспективным направлением считается соединение возможностей уже созданной МЭМС-технологии и интегральной оптики. Это может привести к созданию целого класса устройств, реализация которых в макромасштабе крайне затруднительна или невозможна. Примером объединения оптики, механики и электроники могут служить микромеханические устройства, изготовленные с использованием микро- и нанотехнологий: например, DLP-процессор, основанный на технологии пьезоактуаторов, использует массив поворотных микрозеркал, модулирующих отраженный поток света по заданному алгоритму. Такая технология была разработана и запатентована фирмой Texas Instrument и на ее основе выпускаются проекционные DLP-телевизоры и проекторы.

Литература

1. Гауер Д. «Оптическая связь», гл. 1–2// М, «Радио и связь», 1988 г.

2. Окоси Т. и др. «Волоконно-оптические датчики», пер с японского//Энергоатомиздат, 1990 г.

3. Фейнман Р., Лейтон Р., Сендс М., «Фейнмановские лекции по физике», т. 3, «Едиториал УРСС», 2004 г.

Оставьте отзыв

Ваш емейл адрес не будет опубликован. Обязательные поля отмечены *