Введение

Различные преобразователи неэлектрических величин в электрические прочно заняли свое место во многих областях человеческого знания, и уж тем более -- в медицине. Трудно представить современного врача, занимающегося диагностикой различных заболеваний и их лечением, не опирающегося на огромное число достижений таких наук как радиоэлектроника, микроэлектроника, метрология, материаловедение. И хотя, датчики являются одной из самых медленно развивающихся областей медицинской электроники, да и всей электроники в целом, подавляющее большинство диагностических и терапевтических приборов и систем прямо или косвенно содержат множество самых разных преобразователей и электродов, без которых, подчас немыслима работа этой системы.

Некоторых типы датчиков будут рассмотрены в представленной работе. Определенная сложность заключается в огромнейшем разнообразии медицинских датчиков, а также в довольно малом количестве публикаций, касающихся этой темы.

Волоконно-оптические датчики

Оптоэлектроника -- это довольно новая область науки и техники, которая появилась на стыке оптики и электроники. Следует заметить, что в развитии радиотехники с самого начала ХХ века постоянно прослеживалась тенденция освоения электромагнитных волн все более высокой частоты.

Важным моментом в развитии оптоэлектроники является создание оптических волокон. Особенно интенсивными исследования стали в конце 1960-x годов, а разработка в 1970 г. американской фирмой "Корнинг" кварцевого волокна с малым затуханием (20 дБ/км) явилась эпохальным событием и послужила стимулом для увеличения темпов исследований и разработок на все 1970-е годы.

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 медицинской 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. Таким образом, 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.

Необходимо отметить 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 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 понемногу 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.

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. На использовании пучков таких волокон основывается вся техника эндоскопии.

Если классифицировать волоконно-оптические датчики с точки зрения применения в них оптического волокна, то, 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.

С помощью волоконно-оптических датчиков с оптоволокном в качестве линии передач можно измерять следующие физические величины:

• · датчиком проходящего типа: температуру (на основе измерения изменения постоянной люминесценции в многомодовых волокнах, в диапазоне 0 - 70 °С с точностью ± 0,04 °С);
• · датчиком отражательного типа: концентрацию кислорода в крови (происходит изменение спектральной характеристики, детектируется интенсивность отраженного света, оптоволокно -- пучковое, с доступом через катетер).

Если же оптическое волокно в датчике использовать в качестве чувствительного элемента, то возможны следующие применения:

• · интерферометр Майкельсона позволяет измерять пульс, скорость кровотока: используя эффект Доплера можем детектировать частоту биений -- используются как одномодовое, так и многомодовое волокна; диапазон измерений: 10 -4 - 10 8 м/с.
• · на основе неинтерферометричекой структуры возможно построить датчик, позволяющий определять дозу ионизирующего излучения, используемое физическое явления -- формирование центра окрашивания, детектируемая величина -- интенсивность пропускаемого света.

Подводя некоторый итог, надо сказать, что 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

Классификация основных структур волоконно-оптических датчиков:

• · с изменением характеристик волокна (в том числе специальных волокон);
• · с изменением параметров передаваемого света;
• · с чувствительным элементом на торце волокна.

Определение присутствия детали на конвейере автоматизированной линии, получение информации о работе осветительного прибора, управление компактным, но эффективным станком.. Везде требуется минимум ошибок в управлении процессом, а если вышел отказ, то важно знать причину отказа, чтобы впредь ошибок не повторялось, ведь современные технологические процессы не терпят низкого качества. Вот здесь то и приходят на помощь датчики.

Есть множество типов датчиков: магнитные, индуктивные, фотоэлектрические, емкостные, - каждый из них имеет свои достоинства и недостатки. Фотоэлектрические - одни из наиболее универсальных. Здесь и лазерные и инфракрасные, и однолучевые, и светоотражающие. Но рассмотрим мы оптоволоконные датчики, ведь именно они обладают широчайшими возможностями для конфигурирования и отлично подходят даже для самых труднодоступных мест.

Оптоволоконный датчик разделен на пару устройств: волоконно-фотоэлектрический усилитель и оптоволоконный кабель с оптической головкой. Кабель пропускает от усилителя свет.

Принцип здесь прост. Излучатель и приемник совместно работают: приемник обнаруживает световую волну, излученную излучателем. Технологически этот процесс реализуем по-разному: отслеживание угла световой волны, измерение количества света, или измерение времени возврата световой волны с целью измерения расстояния до предмета.

Оптические источник и приемник могут располагаться просто в головке (диффузные или отражательные единицы), либо могут быть выполнены по отдельности - две головки (однолучевые единицы). Головка оптоволоконного датчика содержит внутри электронику, приемник при этом соединен с электроникой именно посредством оптоволокна. Принимаемые и излучаемые волны проходят через волокно подобно тому, как это происходит при высокоскоростной передаче данных в оптоволоконных сетях.

Достоинство данного разделения в том, что приемник устанавливается на измеряемом объекте. Волоконно-оптический кабель прокладывают и подключают к усилителю, который расположен в специальном шкафу управления, защищающем усилитель от внешней, часто жесткой, окружающей среды производственного предприятия. Выбор вариантов разнообразен. Усилители бывают простыми и сложными, в частности - многофункциональными, обладающими возможностями выполнения логических и коммутационных операций.

Усилители волоконно-оптических датчиков базовой комплектации имеют минимум электронных компонентов и функциональных возможностей, а наиболее сложные отличаются принципом «подключи и работай», электроника в них полностью индивидуально настраивается. Электронные блоки некоторых датчиков способны обрабатывать более 10 входных сигналов с волокон. Безусловно, имеется и индикация. Индикаторы показывают, корректно ли работает датчик. Кроме того имеются и другие функции.

Интерфейс для контроллера определяется форматом вывода. Здесь предусмотрены как настройка датчика, так и сброс настроек усилителя. Выходы бывают нормально разомкнутыми, нормально замкнутыми, коллекторными, эмиттерными, пуш-пуллными. Соединения монтируются посредством кабеля с многоконтактным разъемом. Программирование осуществляется при помощи кнопок или просто потенциометром.

Дополнительную гибкость дают такие опции датчиков как: задержка вкл/выкл, импульсные выходы, исключение прерывистых сигналов, - для достижения большей свободы в детализации и корректировке параметров усилителя в зависимости от индивидуальных требований производственного процесса. Задержки позволяют замедлить реакцию рабочего органа, прерывистые сигналы - служат знаком к тому, что условия работы нарушены. Все настраивается индивидуально.

Светодиодная индикация выходного состояния, либо наличие дисплея со сведениями о сигналах и состояниях выхода - вот продвинутые опции, позволяющие проводить диагностику и программировать датчик на месте.

Для более устойчивых измерений в условиях изменяющейся окружающей среды - подойдет датчик с увеличенной частотой дискретизации и с фильтрацией сигнала. Блок хоть и будет работать все так же на низкой частоте, тем не менее это будет полезно. Задержки вкл/выкл помогут согласовать выходные и входные сигналы.

Применение вспомогательных блоков расширит возможности программирования, например можно подстроить чувствительность измерительного элемента при работе с особыми материалами, такими как стекло, или запрограммировать выключение/включение между точками переключения: отслеживание положения детали и ее позиционирование в пространстве.

Вся прелесть волоконно-оптических кабелей в том, что они вместо тока пропускают свет. Возможны конфигурации из различных материалов, с разными степенями чувствительности головок.

Диффузный оптоволоконный кабель состоит из пары шпон, одна из которых идет на усилитель, вторая - на чувствительную головку. С чувствительной головкой при этом соединено два кабеля - один для источника света, второй - для электроники.

Однолучевой оптоволоконный кабель содержит пару одинаковых кабелей, каждый из которых подключается к усилителю и обладает своей оптической головкой. Один кабель служит для передачи света, второй - для приема.

Само волокно, обычно, стеклянное либо пластиковое. Пластиковое - тоньше, дешевле, гибче. Стеклянное прочнее, и может работать при более высоких температурах. Пластик можно отрезать на требуемую длину, а стеклянное режут лишь на стадии изготовления. Оболочка волокна - от экструдированного пластика до оплетки из нержавейки, для суровых условий эксплуатации.

Наиболее важно при выборе оптоволоконного датчика - правильно выбрать оптическую головку. Ведь именно с чувствительностью головки связана точность обнаружения частей, маленьких, неподвижных или подвижных. Под каким углом будут расположены приемник и излучатель по отношению к объекту, какова допустимая дисперсия. Требуется ли круглый пучок волокна для получения кругового луча или протяженный - для получения горизонтальной проекции.

Что касается круглых пучков, то в диффузной головке они могут быть ровно разветвлены со всеми волокнами источника на одной половине, и с волокнами приемника - на другой. Данная конструкция встречается часто, но может вызывать запаздывание считывания информации с части, движущейся под прямым углом к линии бифуркации.

Вариант с равномерным распределением волокон источника и приемника дает более равномерные лучи. Равномерные лучи позволяют выравнивать воздействия отправки и получения волн, и обнаружение получится независимым от направления движения объекта.

Тип оптической головки, длина кабеля и усилитель оказывают значительное влияние на расстояние срабатывания оптики. Точную оценку дать трудно, но производители эти данные указывают. Однолучевой датчик обладает большим диапазоном нежели диффузный. Длиннее волокно - короче диапазон. Совершеннее усилитель - сильнее сигнал, больше диапазон.

Все чаще используется в промышленной автоматизации распределенный ввод/вывод, и возможно подключить несколько оптоволоконных кабелей датчиков к одному коллектору.

Оптоволоконные усилители зачастую - автономные одноканальные устройства с креплением на DIN-рейку, они легко монтируются в панели, и недостаток разве что в маршрутизации соединений от отдельных усилителей.

Коллектор может группировать множественные каналы волокна в едином центре управления: коллекторы оснащены дисплеями с меню, и каждый канал программируется индивидуально. Сконфигурированные каналы могут использоваться через И/ИЛИ логику, которая сильно упрощает управление ПЛК.

Применение волоконной оптики хорошо показывает себя в системах работающих в условиях сильного электрического шума. Оптоволокно не воспринимает электрический шум, а электронный усилитель защищен шкафом. Небольшие сборочные линии с автоматизацией обнаружения деталей на конвейерах в процессе сборки устройств - еще одно весьма перспективное и уже довольно распространенное направление использования оптоволоконных датчиков.

Головки с различной ориентацией, разного размера, отличные по дисперсии для обеспечения нужной степени точности фокуса независимо от размера датчика, - все это в совокупности с логикой управления открывает огромный потенциал возможностей. Например, один датчик определяет наличие детали в месте начала сборки, а второй подтверждает окончание сборки.

В прочем, независимо от сферы применения, важно подобрать датчик и головку с параметрами подходящими для требуемого приложения потребителя: по дисперсии, расстоянию, дискретизации, опциональности касательно настроек и программирования.

Единственный, пожалуй, минус - нельзя чрезмерно перегибать волокна. Стоит перегнуть немного больше, и случится непоправимая пластическая деформация волокон, пропускная способность понизится или вовсе пропадет. Допустимый радиус изгиба зависит от типа волокна, размера и дисперсии волокон в пучке. Эти характеристики необходимо учитывать при выборе датчика для ваших задач.

Применение волоконно-оптических датчиков экономически целесообразно на крупных объектах, где требуется большое количество контроллеров для постоянного мониторинга основных приборов. Для эксплуатации в жестких условиях выпускаются специальные модели, устойчивые к воздействию высоких температур, агрессивных сред и способные выполнять свои функции в вакууме. В зависимости от принципа работы устройства, различают датчики точечные и распределенные.

Точечные

Основным элементом здесь являются бреэгговские решетки - селектирующие зеркала. Излучение, попадающее к волоконно-оптическому датчику от широкополосного источника, отражается в виде узенькой спектральной полосы. Остальной свет движется по волокну. Такая технология дает возможность разместить множество контроллеров по всей длине линии, получая абсолютные показания без дополнительной калибровки. Это самый надежный на сегодняшний день вариант мониторинга.

С помощью точечных датчиков можно измерять:

• температуру;
• вибрации;
• давление;
• деформации;
• углы и др.

Распределенные

Конструкция распределенного волоконно-оптического датчика, предназначенного для контроля температуры, включает пару основных элементов. Это оптоволокно и опросное устройство. Подобная система используется в случаях, когда мониторинг требуется линиям большой протяженности. Принцип действия: опросное устройство генерирует лазерный импульс, который подвергается обратному рассеиванию в оптоволокне. Анализ этого спектра помогает узнать температуру в каждой ключевой точке оптоволокна.

Для охраны крупных объектов и измерения деформаций можно купить акустические датчики. Они работают по схожему принципу. Разница в том, что анализатор измеряет не спектр, а колебания обратного рассеянного излучения. Благодаря этим данным можно определить источник звуковой волны и своевременно принять меры, если происходит несанкционированное вмешательство.

Мы предлагаем

Наличие волоконно-оптических датчиков позволяет полностью контролировать состояние важных характеристик. Эти приборы устойчивы к электрическим и магнитным помехам. Они неприхотливы в обслуживании, надежны, долговечны, экономно потребляют электроэнергию, могут эксплуатироваться в мороз и сильную жару.

В нашем магазине вы можете купить продукцию компании Омрон и других известных производителей подобного оборудования. Наши менеджеры проконсультируют вас по всем техническим вопросам. Есть варианты на случай, если датчики планируется использовать в экстремальных условиях. Мы предлагаем своим клиентам только сертифицированную продукцию по доступным ценам. При необходимости можно заказать услуги монтажников.

Cтраница 1

Волоконно-оптические датчики в настоящее время являются одной из наиболее динамично развивающихся областей оптоэлектроники. За последние 30 лет произошел стремительный переход от простейших конструкций волоконно-оптических датчиков температуры и давления к созданию широкой номенклатуры датчиков физических величин, которые ученые и инженеры используют в разнообразных областях науки и техники уже сегодня. Интенсивное развитие и совершенствование волоконно-оптических датчиков в значительной мере стимулируется все более расширяющимся процессом внедрения волоконно-оптических телекоммуникационных сетей в повседневную жизнь. Помимо непрерывного улучшения характеристик элементной базы волоконной оптики, находящей непосредственное использование в технологии производства волоконно-оптических датчиков, это открывает широкие перспективы для создания разветвленных измерительных систем, органично сочетающих в своем составе свойства систем связи и систем мониторинга, конфигурация которых может непрерывно совершенствоваться без привлечения дополнительных магистралей связи. Важным достоинством волоконно-оптических датчиков также является привнесение в измерительные системы новых качеств, таких, как: малые размеры, устойчивость к неконтролируемым и агрессивным воздействиям окружающей среды и к электромагнитным помехам, высокая чувствительность, дистанционность измерений и возможность мультиплексирования отдельных датчиков в сложные измерительные системы, технологичность производства и потенциальная низкая стоимость.

Волоконно-оптические датчики на основе СВИФП и ВВИФП как правило имеют малые размеры и наиболее приспособлены для проведения локальных измерений параметров физических полей.

Амплитудные волоконно-оптические датчики, в которых, в результате внешнего физического воздействия, наблюдается непосредственная модуляция интенсивности распространяющихся по световодам оптических сигналов, являются наиболее простыми и удобными в эксплуатации конструкциями ВОД. К настоящему моменту разработаны разнообразные конструкции амплитудных ВОД физических величин, которые условно можно разделить на два основных класса. К первому классу датчиков относятся амплитудные ВОД, в которых волоконные световоды выполняют пассивную функцию, связанную только с подводом и отводом излучения от чувствительного элемента. Такого рода конструкции имеют высокую чувствительность и достаточно просты, однако обладают рядом недостатков, которые не позволяют использовать их в распределенных измерительных системах. Эти недостатки кроются в необходимости разрыва непрерывной волоконной линии для обеспечения ввода излучения в чувствительный элемент датчика, что приводит к значительным потерям световой мощности на элементах межсоединений, кроме того, использование разнородных оптических компонентов обусловливает низкую механическую стабильность характеристик измерительных устройств.

В волоконно-оптических датчиках ВОБР работают в режиме отражения излучения.

Другие компоненты волоконно-оптических датчиков, например волоконные разветвители, могут эксплуатироваться без изменения свойств до температур 200 - 300 С, а источники излучения, фотоприемники и модуляторы до температуры 100 - 150 С. По этой причине источники излучения, мультиплексирования датчиков и обработки сигналов в аэрокосмических волоконно-оптических системах телеметрии необходимо заключать в специальные охлаждаемые блоки.

Значительное место среди волоконно-оптических датчиков способны занять поляризационные датчики и датчики на основе одноволоконных многомодовых интерферометров, которые, как и волоконные интерферометры Фабри-Перо, нуждаются только в одном измерительном волоконном тракте и не требуют дополнительного опорного плеча, что значительно упрощает конструкцию измерительных систем.

Волоконные световоды для волоконно-оптических датчиков В настоящее время главный приоритет промышленности, выпускающей волоконные световоды, состоит в создании волоконных световодов применительно к системам телекоммуникаций. Эти волокна имеют низкое затухание 0 5 дБ / км и оптимизированы для использования в спектральном диапазоне вблизи 1 3 и 1 55 мкм. Эти две длины волны излучения представляют интерес с точки зрения наличия нулевой материальной дисперсии (1 3 мкм) и минимума потерь (1 55 мкм) для одномодовых кварцевых волокон. В то же время создание волоконно-оптических датчиков требует использования излучения других областей спектра, а также многомодовых световодов. Для волоконных датчиков также большое значение имеет оптимизация подбора диаметра сердцевины, ее материала и разности показателей преломления сердцевины и оболочки.

Источниками излучения в волоконно-оптических датчиках являются лазеры (газовые, твердотельные и полупроводниковые лазеры), светоиз-лучающие диоды, суперлюминесцентные и лазерные волоконно-оптические излучатели. Светоизлучающие диоды и суперлюминесцентные волоконные излучатели основаны на спонтанном излучении света, вследствие чего они обладают более широким спектром излучения и значительно меньшей длиной когерентности испускаемого ими света. Кроме того, статистика спонтанного излучения этих источников света близка к статистике тепловых источников излучения, что делает определяющими для них флуктуации интенсивности света. Лазерные источники излучения, имея относительно низкий уровень шума интенсивности и узкую спектральную полосу испускаемого света, являются высоко когерентными источниками света, что делает их источниками шумов интенсивности и источниками фазового шума.

Пространственное разрешение распределенных ВРМБ волоконно-оптических датчиков определяется длительностью зондирующего лазерного импульса, тогда как точность измерения температуры и деформации световода зависит от отношения сигнал / шум в системе измерений и точности измерения бриллю-эновского сдвига частоты в спектре излучения.

Такими независимыми датчиками могут быть волоконно-оптические датчики температуры, основанные на эффекте Рама-новского или ВРМБ-рассеяния.

Ряд работ связан с созданием волоконно-оптических датчиков температуры, действие которых основано на сдвиге края оптического поглощения полупроводников.

Как показывает маркетинг перспектив внедрения разработок волоконно-оптических датчиков в технику и промышленное производство, их рынок только в Северной Америке к 2010 году будет доведен до 5 млрд долларов. Наибольшие перспективы использования волоконно-оптических датчиков видятся в таких отраслях, как: химическая и нефтеперерабатывающая промышленность, авиа - и космическая техника, транспорт, строительство, биомедицинская промышленность, военные применения и др. Широкое развитие получили волоконные гироскопы, которые в сочетании с цифровыми картами и глобальной спутниковой системой связи позволили создать качественно новые навигационные системы для самолетов и автомобилей, по своим характеристикам значительно превосходящие свои электронные аналоги. Сегодня волоконные гироскопы уже начинают внедрятся и в системы позиционирования робототехнических устройств.

Принцип действия оптоволоконных датчиков основан на преобразовании измеряемых физических величин в модулированный световой сигнал с последующими его передачей по оптоволоконной линии связи, расшифровкой и использованием. Свет, генерируемый лазером, светоизлучающим диодом или другим устройством, может модулироваться по амплитуде, фазе, частоте, ширине импульсов и поляризации. При необходимости модулированные световые сигналы усиливаются или ослабляются, передаются на расстояние, преобразуются из оптических в цифровую и обратно. По характеру использования характеристик оптического волокна оптоволоконные датчики можно разделить на два класса – внешние и внутренние.

Внешние датчики используют волоконные линии лишь в качестве массивного элемента для передачи оптического сигнала из одного пункта в другой, от источника света к датчику и от датчика – детектору. Результат оценки измеряемых величин или характеристик явления, воспринимаемый внешними оптоволоконными устройствами, сам по себе не зависит от особенностей волокна, так как измерительную информацию несут следующие явления: прерывание светового потока, отражение света, фильтрация длины волны света и передача на разных длинах волн, изменение энергии излучения, подаваемого на оптоволоконную линию. Датчики, использующие прерывание светового потока, передаваемого между двумя участками оптоволоконной линии, являются весьма распространенными и достаточно гибкими в применении устройствами. Работа датчиков основана на принципе блокировки светового луча. Пример датчиков этого типа – счетчик деталей, подаваемых на сборочный конвейер или упаковку.

Датчик, который воздействует на интенсивность света, попадающего в оптическое волокно, в принципе, способен влиять на цветовой или частотный спектр сигнала, передаваемого в оптоволоконную линию. Такие модуляторы спектрального являются основой систем измерения, связанных с фильтрацией длины волны света и передачей на разных длинах волн. С их помощью определяют наличие и количественное соотношение различных составляющих в жидкостных смесях, появление цветного дыма в замкнутых объемах, цветные составляющие в стеклах и смолах, а также измеряют температуру, при которой изменяется цвет некоторых сред, например кристаллов.

Датчики для измерения интенсивности света или оптической мощности могут быть использованы для распознавания положения детали или компонента радиоэлектронной аппаратуры на конвейере или захвате. На недостаточную освещенность детектора или неправильную освещенность одной или двух щелей датчик реагирует и сигнализирует о необходимости коррекции положения детали. Подобные приборы широко используют в робототизированных линиях сборки. Поскольку они реагируют на относительное изменение освещенности, точность их показаний не зависит от изменения интенсивности света, генерируемого его источником.

Во внутренних датчиках активным элементом является само оптическое волокно, изменяющее свои передающие характеристики. Оптическая линия (или её участок) одновременно являются датчиками. Измеряемый параметр тем или иным образом воздействует на характеристики волокна, а, следовательно, и на характеристики передающего по нему светового луча. При этом могут изменяться групповая или фазовая скорость распространения, оптическая мощность, поглощаемая в оптоволоконной линии.

Принцип действия датчиков, фиксирующих изменение угла поляризации света после его прохождения по оптоволоконной линии, основан на явлении вращения плоскости поляризации вследствие модификации оптической индикатрисы оптического волокна при воздействии электромагнитного поля. С этой целью используется магнитооптический эффект Фарадея, возникающий во многих стекловидных материалах.

Для роботов, автоматических линий сборки требуется весьма чувствительный датчик касания, который должен быть простым, дешевым, малогабаритным, обладать малым кодом, стабильностью характеристики во времени и устойчивостью к электромагнитным полям. В одном из таких датчиков луч света от источника, пройдя через расщепитель, оптоволоконный котел и поляризатор поступает на датчик, измеряющий при минимальном нажатии (касании) спектральный состав света. С датчика при помощи зеркала свет, имеющий измеренный спектральный состав, возвращается по оптоволоконному кабелю и расщепителю на фильтр, с него – на чувствительный элемент и приемник выходного сигнала. Оптическая чувствительность прибора зависит от давления и материала. При измерении температуры в качестве дискретного оптического датчика может быть использован измерительный элемент на полупроводниковом приборе, представляющем собой тонкую полупроводниковую пластинку, заключенную между отрезками стекловолокна, по которым передается световой сигнал. Весь датчик заключен в трубку из нержавеющей стали. Свет подводится к датчику и отводится от него по многомодовому оптическому волокну. Диапазон значений длины волны, в котором осуществляется передача энергии полупроводниковой пластинкой, линейно растет. Датчик рассчитан на измерение температур от 243 до 573 К.

1. Прикладная оптика: Учеб. пособие / Л.Г.Бобчук, Ю.В.Богачев, Н.П.Заказнов и др.; Под общ. ред. Н.П.Заказнова. М.: Машиностроение, 1988. -312 c.
2. Системы технического зрения (принципиальные основы, аппаратное и математическое обеспечение) / А.Н.Писаревский, А.Ф.Чернявский, Г.А.Афанасьев и др.; Под общ. ред. А.Н.Писаревского, А.Ф.Чернявского. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1988. 424 с.