Optik tolali haroratni o'lchash ostida ( Inglizcha versiyasi DTS = Distributed Temperature Sensing) shisha tolalar chiziqli sensorlar sifatida ishlatiladigan optoelektronik harorat o'lchash asboblaridan foydalanishni tushunadi. Chiziqli tolali harorat sensorlari uchun odatiy ilovalar yo'l, temir yo'l yoki xizmat tunnellarida yong'in signalizatsiya tizimlari kabi xavfsizlik bilan bog'liq sohalardir; elektr kabellarining issiqlik nazorati va havo liniyalari ishlab chiqarish munosabatlarini optimallashtirish vositalari; neft va gaz quduqlari samaradorligini oshirish; sanoat induksion eritish pechlarining xavfsiz ish holatini ta'minlash; suyultirilgan idishlarning mahkamligini nazorat qilish tabiiy gaz tushirish terminallarida kemalarda; to'g'on va to'siqlarda sizib chiqishlarni aniqlash; kimyoviy jarayonlarda haroratni nazorat qilish; quvurlardagi qochqinlarni aniqlash.

Optik tolali sensorning ishlash printsipi

Optik tolaga jismoniy ta'sirlar, masalan: harorat, bosim, kuchlanish kuchi, yorug'lik o'tkazish xususiyatlarini mahalliy ravishda o'zgartiradi va natijada orqa aks ettiruvchi signalning xususiyatlarining o'zgarishiga olib keladi. Optik tolali datchiklarga asoslangan o'lchash tizimlarining markazida toladan o'tgandan so'ng dastlabki lazer nurlanishi va orqaga tarqaladigan nurlanishning spektrlari va intensivligini taqqoslash qo'llaniladi.

Harorat ta'sirida yorug'likning orqaga tarqalishi

Optik tolalar doplangan kvarts oynasidan tayyorlanadi. Kvarts shishasi amorf qattiq tuzilishga ega bo'lgan kremniy dioksidining bir turi (SiO2). Harorat ta'siri molekulyar panjarada tebranishlarni boshlaydi. Yorug'lik termal qo'zg'aluvchi molekulalarga tushganda, yorug'lik zarralari (fotonlar) va elektronlar o'rtasida o'zaro ta'sir sodir bo'ladi. Shunday qilib, yorug'lik tarqalishi Ramanning tarqalishi deb ham ataladigan optik tolada sodir bo'ladi.

Yorug'likning orqaga tarqalishi bir nechta spektral komponentlardan iborat:
. Lazer manbasida ishlatiladigan to'lqin uzunligiga o'xshash to'lqin uzunligi bilan Rayleigh tarqalishi;
. Fotonlar chiqariladigan lazer manbasidan ko'ra ko'proq to'lqin uzunligi bo'lgan Raman tarqalishining Stokes komponentlari;
. Fotonlar yutiladigan Rayli tarqalishiga qaraganda qisqaroq to'lqin uzunligiga ega Raman tarqalishining Stokesga qarshi komponentlari.

Anti-Stokes diapazoni deb ataladigan tarqalish intensivligi haroratga bog'liq, Stokes diapazoni esa haroratdan deyarli mustaqil. Optik tolaning mahalliy harorati Stokes va Stokesga qarshi yorug'lik intensivligi nisbatidan kelib chiqadi.

Stoks chiziqlariga qaraganda kuchliroq, lekin spektral siljishi kichikroq bo'lgan Briluen chiziqlari.Bu spektral siljish tolaning kristall panjarasining akustik tebranishlari natijasida yuzaga keladi va tolaga ta'sir qiluvchi mexanik kuchlanishlar va haroratlar haqida ma'lumot olib boradi. Mexanik stresslar va haroratlarning ta'siri Brillouin chizig'ining to'lqin uzunligi shkalasidagi holatini o'zgartirishga olib keladi.

Raman chiziqlariga asoslangan harorat sensorlari

eng ko'p zamonaviy uskunalar haroratni taqsimlash monitoringi tizimida, masalan, quvurlarda, Raman liniyalariga asoslangan taqsimlangan optik tolali harorat sensori ishlatiladi. Sensorning ishlash printsipi shundan iboratki, tarqalgan nurlanishning Stokes Raman komponentining intensivligi amalda haroratga bog'liq emas va Anti-Stokes chizig'ining intensivligi harorat bilan kuchli bog'liqdir. Bu Anti-Stokes chizig'i va Stokes chizig'ining intensivligi nisbatini aniqlash orqali harorat qiymatini aniqlash imkonini beradi. Ushbu yondashuv zondlash lazer pulsining kuchining mumkin bo'lgan o'zgarishi bilan bog'liq xatolikdan xalos bo'lishga imkon beradi. Ushbu turdagi tizimlar bir necha kilometr masofada ishlashi mumkin. Fazoviy o'lchamlari 0,5 m ga yetishi mumkin.

O'lchov usuli

Eng yaxshi ma'lum bo'lgan orqaga tarqalish usuli OTDR usulidir (= Optik vaqt domenining reflektometriyasi = Optik vaqt domenining reflektometriyasi). U impuls-akustik usulga (impulslar va echo) asoslanadi, yorug'lik impulslarini uzatish va aniqlash vaqti o'rtasidagi tarqalish vaqtining farqi natijasida tarqalish darajasi va joylashishini aniqlash mumkin. Chiqarilgan yorug'lik tarqalishining Raman effektiga nisbati, Raman tarqalgan yorug'likni o'lchashda orqaga tarqalish signali 1000 faktordir. Shuning uchun OTDR texnologiyasi bilan mahalliy taqsimlangan Raman harorat sensori faqat kuchli (qimmat) impulsli lazerlar bilan amalga oshirilishi mumkin. (odatda qattiq lazerlar) va tez, shuningdek qimmat, signalizatsiya texnikasi.

LIOS Technology GmbH tomonidan ishlab chiqilgan Raman harorat sensori OFDR (OFDR, Optical Frequency Domain Reflectometry = chastota domeni reflektometriyasi) OTDR texnikasi kabi vaqt sohasida ishlamaydi, balki chastotalar sohasida. OFDR usuli haroratning mahalliy o'zgarishi haqida ma'lumot oladi, agar o'lchash vaqti davomida aniqlangan orqaga tarqalish signali chastota va kompleks (murakkab uzatish funktsiyasi) funktsiyasi sifatida o'lchansa va keyin Furye konvertatsiyasiga duchor bo'lsa. OFDR texnikasining muhim afzalliklari kvazi-uzluksiz lazer emissiya rejimi va optik orqaga tarqalish signalini tor diapazonda aniqlashdir, buning natijasida impuls texnologiyasidan foydalanishga qaraganda sezilarli darajada yuqori signal-shovqin nisbatiga erishiladi. . Ushbu texnik afzallik signalni uzatish uchun arzon yarimo'tkazgichli lazerli diodlar va arzon elektron komponentlardan foydalanish imkonini beradi. Ularga texnik jihatdan murakkab Raman adashgan yorug'lik o'lchovi (kattalik va faza bo'yicha murakkab o'lchov) va signalni qayta ishlash uchun zarur bo'lgan FFT (Fourier Transform Unit) tufayli yuqori xarajat qismi va elektron birliklar va komponentlarning chiziqliligiga yuqori talablarga qarshi turadi. .

O'lchov tizimining tuzilishi

Optik tolali haroratni o'lchash tizimining sxematik tuzilishi chastota generatori, lazer, optik modul, qabul qilish bloki va mikroprotsessor bloki, shuningdek yorug'lik uzatuvchi kabel (kvars shisha tolasi) bo'lgan signalni sozlash blokidan iborat. chiziqli harorat sensori sifatida. OFDR usuliga muvofiq, lazer intensivligi o'lchash vaqt oralig'ida sinusoidal modulyatsiya qilinadi va chastota chiziqli chastotali modulyatsiya shaklida modulyatsiya qilinadi. Chastotaning og'ishi OTDRning mahalliy javobiga bevosita sababdir. Chastotali modulyatsiyalangan lazer nuri yorug'lik qo'llanmasiga yo'naltiriladi. Raman tarqalgan yorug'lik tolaning istalgan nuqtasida paydo bo'ladi, barcha yo'nalishlarda chiqariladi. Ramanning tarqoq nurining bir qismi signalni sozlash moslamasiga qarama-qarshi yo'nalishda harakat qiladi. Keyin orqaga tarqalgan yorug'likni spektral filtrlash, uni o'lchash kanallarida elektr signallariga aylantirish, kuchaytirish va elektron ishlov berish amalga oshiriladi. Mikroprotsessor Furye konvertatsiyasini hisoblab chiqadi. Oraliq natija sifatida kabel uzunligining funksiyasi sifatida Ramanning orqaga tarqalishi egri chiziqlari olinadi. Orqaga tarqaladigan egri chiziqlarning amplitudasi mos keladigan Raman tarqalishining intensivligiga proportsionaldir. Orqaga tarqaladigan egri chiziqlar nisbatidan yorug'lik yo'naltiruvchi kabel bo'ylab tolaning harorati olinadi. Texnik spetsifikatsiyalar Raman haroratni o'lchash tizimlarini sozlash asboblari parametrlari (diapazon, mahalliy ruxsat, haroratning aniqligi, o'lchash vaqti) orqali optimallashtirilishi mumkin. Muayyan dasturning imkoniyatlariga ko'ra yorug'lik uzatuvchi kabelni sozlash ham mumkin. Fiberglas qoplamasining termal qarshiligi yorug'lik yo'nalishi kabelining maksimal harorat oralig'ini cheklaydi. Standart ma'lumotlar tolalari akril yoki UV (ultrabinafsha) bilan qoplangan qoplamaga ega va 80 ° C gacha bo'lgan haroratga mos keladi. Poliamid bilan qoplangan shisha tolali shisha maksimal harorat 400 ° C gacha ishlatilishi mumkin.

Brillouin tizimlari(www.vodosfera.com saytidan ma'lumot)

Yuqorida ta'kidlanganidek, Brilyuen chizig'ining spektral siljishi tolaning kristall panjarasining akustik tebranishlari natijasida yuzaga keladi va tolaga ta'sir qiluvchi mexanik kuchlanishlar va haroratlar haqida ma'lumot olib boradi. Bugungi kunga qadar yaratilgan bunday tizimlarning signallarini qayta ishlash algoritmlari harorat va mexanik ta'sirlar haqidagi ma'lumotlarni ajratish imkonini beradi.

Brillouin monitoring tizimi uchun quyidagi xususiyatlar xosdir: bitta tizim ishlashi mumkin bo'lgan masofa 1 - 2 metr fazoviy o'lchamlari bilan 40 - 50 km.

Brillouin monitoring tizimlarining kamchiliklari ularning qurilmasining murakkabligini o'z ichiga oladi, bu esa yuqori narxga olib keladi. Brillouin tizimlarining afzalligi oddiy arzon aloqa tolasiga asoslangan sensorli kabellar bilan ishlash qobiliyatidir. Bunday tizimlardan signal qabul qilish vaqti taxminan 1 - 2 minut. Uzunroq chiziqlar bilan ishlaganda o'lchash vaqti ortadi.

Sezuvchanlikni oshirish va o'lchash vaqtini sezilarli darajada qisqartirish uchun stimulyatsiya qilingan Brillouin tarqalishiga asoslangan usul qo'llaniladi. U o'z-o'zidan sochilishga asoslangan tizimlardan bir vaqtning o'zida tolaga uzluksiz "sinov" signali yuborilishi bilan farq qiladi. lazer nurlanishi va kuchli nasos pulsi

Rag'batlantirilgan Brillouin tarqalishiga asoslangan monitoring tizimlari 0,5 m fazoviy o'lchamlari bilan taxminan 50 km masofada (uzoq masofalar mumkin) ishlashni ta'minlaydi.O'lchov ma'lumotlarini olishning minimal chastotasi bir Gerts tartibidagi qiymatlar bo'lishi mumkin.

Optik tolali sensor yordamida kabel liniyasi uchun issiqlik monitoringi tizimi

Inversion-sensor tomonidan taqdim etilgan material

Yuqori xarajat va yuqori texnologik ahamiyatga ega bo'lganligi sababli, yuqori kuchlanishli elektr kabel liniyalarining favqulodda ishdan chiqishi shoshilinch va qimmat ta'mirlashni talab qiladigan favqulodda holat hisoblanadi. Ko'pgina hollarda kabel liniyasidagi avariyaning sababi mahalliy haddan tashqari qizib ketish bo'lib, u liniyadagi joriy yukning ko'payishi, kabelning uzunligi bo'ylab sovutish sharoitlarining yomonlashishi yoki ba'zi bir nuqsonlarning natijasi bo'lishi mumkin. kabel izolyatsiyasi va muftalar.

Kabel strukturasiga integratsiyalashgan optik tolali haroratni nazorat qilish tizimlaridan foydalanganda kabel va muftalarning qizib ketish zonalarini o'z vaqtida aniqlash mumkin. Raman deb nomlangan optik kabelda lazer impulsining tarqalishi effekti yordamida amalga oshiriladigan kabel liniyasi bo'ylab harorat taqsimotini o'lchash uchun shunga o'xshash tizimlar hozirda amaliyotga faol tatbiq etilmoqda.

Mahalliy ishlab chiqarishning ASTRO optik tolali tizimi (Inversion-Sensor kompaniyasi) ish paytida yuqori voltli kabel liniyalarining harorat rejimini operativ kuzatish uchun mo'ljallangan.

Optik tolali kabel liniyasining tuzilishiga birlashtirilgan va odatda ekran maydonida, tashqi qobiq ostida joylashgan. Diagnostik impulslar vaqti-vaqti bilan unga lazer orqali chiqariladi va o'lchash moslamasi yordamida teskari aks ettirilgan yorug'lik oqimi qayd etiladi.

Harorat ta'sirida yuzaga keladigan kabelga o'rnatilgan optik tolaning parametrlarini o'zgartirganda, kabel liniyasining har bir o'ziga xos qismi uchun mahalliy haroratning qiymati aniqlanadi.

Kabel liniyasining har bir alohida qismidagi mahalliy harorat har bir bo'limdan aks ettirilgan impulsni olish momenti va lazer impulsini optik tolaga chiqarish momenti o'rtasidagi vaqt farqi yordamida hisoblanadi. O'lchov tolasida yorug'likning tarqalish tezligini bilib, aks ettirilgan optik signalning spektri mos keladigan joyni yuqori aniqlik bilan hisoblash mumkin.

Kabel liniyasining harorat rejimini tezda aniqlash texnik xizmat ko'rsatuvchi xodimlarga liniyani samarali ishlatish imkonini beradi:

• Ko'rsatilgan signallarda optik tarqalish orqali haroratni nazorat qilish usuli 16 km gacha bo'lgan uzun kabellarda harorat rejimini tezda o'lchash imkonini beradi. Bu bitta qurilma yordamida bir vaqtning o'zida kengaytirilgan ob'ektlarni yoki bir nechta ob'ektlarni ketma-ket yoqish imkonini beradi.
• Kabel liniyasining harorat rejimini bilish uning yukini optimallashtirishga, haqiqiy iqlim sharoitlarini va kabel liniyasining barcha uchastkalarini yotqizishning mahalliy xususiyatlarini oqilona hisobga olishga imkon beradi.
• Optik tolali tizim kabel liniyasining qobig'i ostidagi haroratni o'lchaganligi sababli, monitoring dasturi kabelning oqim o'tkazuvchi yadrosi haroratini qayta hisoblab chiqadi va yukning sakrashi paytida vaqtinchalik isitishni aniqlaydi. Bu, ayniqsa, kabelning eng qizigan qismini hisobga olgan holda, kabel liniyasi orqali qo'shimcha quvvatni uzatishning texnik imkoniyatlarini aniqlash uchun juda muhimdir.
• ASTRO tizimidan foydalanib, boshqariladigan kabel liniyasining alohida uchastkalarini mahalliy isitish bilan birga nuqsonlarning paydo bo'lish joylarini aniqlash va rivojlanish darajasini baholash mumkin.
• Kabelda halokatli nuqsonlar yoki favqulodda dinamik ta'sirlar yuzaga kelgandan so'ng, kabel liniyasining uzilishi joyini tezda aniqlash mumkin.

Kabel liniyasi harorati monitoringi tizimi tizimli ravishda ikkita asosiy elementdan iborat - kabel liniyasi bo'ylab yotqizilgan optik tolali, bu taqsimlangan harorat sensori va himoya shkafiga o'rnatilgan birlamchi ma'lumotlarni qayta ishlash va tahlil qilish vositalariga ega o'lchash moslamasi.

Agar kabel liniyasi dastlab haroratni nazorat qilish tizimidan foydalanish uchun mo'ljallangan bo'lsa, u holda optik tolali kabelni ishlab chiqarish bosqichida oldindan o'rnatiladi.

Agar haroratni nazorat qilish tizimi allaqachon ishlaydigan kabel liniyasiga o'rnatilgan bo'lsa, uning ichida o'lchash optik tolasi bo'lmasa, u tashqariga yotqiziladi va boshqariladigan kabelga iloji boricha yaqinroq o'rnatiladi. Optik tolali harorat sensorini yotqizishning tashqi usuli kamroq afzalroq, chunki u sezilarli darajada past aniqlikka ega va tashqi harorat ta'siriga ko'proq moyil.

Kabel liniyasi uchun haroratni kuzatish tizimining shkafi ASTRO markali o'lchash moslamasini, ma'lumotlarni qayta ishlash, holatni baholash va kabel liniyasining yuklanishining mumkin bo'lgan ortishini bashorat qilish uchun maxsus dasturiy ta'minotga ega sanoat kompyuterini o'z ichiga oladi. Shuningdek, shkafga uzluksiz quvvat manbai va ACS-TP ning yuqori darajasi bilan aloqa qilish uchun barcha zarur texnik vositalar o'rnatilgan.

Monitoring tizimining himoya kabinetining iqlimiy versiyasi tizimni yaratish bo'yicha texnik topshiriqlarning parametrlari bilan belgilanadi. Shkafning o'zi boshqariladigan kabel liniyasining tugashi yonida o'rnatilishi yoki chiziq uzunligiga qarab bir necha kilometrgacha bo'lgan masofada joylashgan bo'lishi mumkin. Ochiq havoda o'rnatilganda, shkaf ichki haroratni sozlash tizimi bilan ta'minlanadi.

ASTRO brendining yuqori voltli kabel liniyasining harorat monitoringi tizimi to'liq avtomatik rejimda, ichki hisob-kitob va ekspert algoritmlariga va har bir nazorat ob'ekti uchun belgilangan mahalliy sozlamalarga muvofiq ishlaydi.

Hozirgi haqida ma'lumot harorat rejimi nazorat qilinadigan kabel liniyasining ishlashi va ekspert diagnostikasi natijalari doimiy ravishda o'rnatilgan sanoat kompyuterining ekranida ko'rsatiladi. To'liq chiziq holati to'g'risidagi ma'lumotlar standart IEC 61850 protokoli yordamida optik tolalar orqali yuqori darajadagi jarayonni boshqarish tizimiga uzatiladi.

ASTRO tizimining texnik parametrlari

mavhum

DA muddatli ish texnologiyalari, ishlash tamoyillari, optik tolali datchiklarning amaliy qo‘llanilishi ko‘rib chiqiladi. Ishning maqsadi optik tolali datchiklarning konstruktiv xususiyatlari va ishlash tamoyillarini va ularning tasnifini o'rganishdir.

Ushbu maqolada optik tolali sensorlarning konstruktsiyalari va ishlash tamoyillari va ularning tavsifi berilgan strukturaviy elementlar, optik tolali sensorlarning tasnifi ham amalga oshiriladi.

Kirish

Ko'pgina ilovalarda foydalanish uchun ideal bo'lgan sensorlar engil vazn, kichik o'lcham, kam quvvat, atrof-muhit va elektromagnit immunitet, yaxshi ishlash va arzon narx kabi xususiyatlarga ega bo'lishi kerak. Texnologiya rivojlangan sari, aerokosmik va mudofaa, materiallar ishlab chiqarish, tibbiyot va qurilish kabi sohalarda bunday xususiyatlarga ega sensorlarga ehtiyoj keskin ortib bormoqda. 1970-1980-yillarda telekommunikatsiya sanoati tufayli jadal rivojlanayotgan optik tolali texnologiyalarning CD pleerlar, shaxsiy nusxa ko'chirish mashinalari ishlab chiqaruvchilari uchun tijorat bozorlariga kirib borishi. lazerli printerlar, optoelektronik komponentlar narxini pasaytirish bilan birga, optik tolali sensor texnologiyasiga ko'plab ilovalarga nisbatan o'z imkoniyatlarini ochishga imkon berdi. Ixtisoslashgan adabiyotlarda siz turli xil optik tolali sensorlarning tavsifini topishingiz mumkin.

Ushbu ishning maqsadi optik tolali sensorlarning konstruktiv xususiyatlarini va ishlash tamoyillarini, shuningdek ularning tasnifini o'rganishdir.

Shu bilan birga, muhim:

Kerakli ma'lumotlarni to'plash uchun mavjud adabiyotlarni ko'rib chiqing.

Optik tolali datchiklar va ularning konstruktiv elementlarining konstruksiyalari va ishlash tamoyillarini aytib bering.

Optik tolali sensorlarni tasniflang.

Optik tolali sensorlardan amalda qanday foydalanishni o'rganing.

1. Optik tolali sensorlar texnologiyalari

Optik tolali texnologiya telekommunikatsiya sohasida inqilob qildi. Inqilob o'ta yuqori ishlashni talab qiladigan tizimlarda optik tolalardan cheklangan foydalanish bilan boshlandi. Ommaviy ishlab chiqarish texnik yaxshilanishlar bilan birgalikda har qanday boshqa muqobil yondashuvlarga qaraganda ancha past xarajat evaziga o'ta yuqori mahsuldorlikka erishganida inqilob sodir bo'ldi. Ommaviy tijorat ishlab chiqarish bilan bir vaqtda takomillashtirish va tannarxni pasaytirish ham analoglarning chiqarib tashlanishiga, ham yangi ilovalar va CD pleerlar, shaxsiy nusxa ko'chirish mashinalari va lazer printerlari kabi yangi mahsulotlarning paydo bo'lishiga olib keldi. Uchinchi inqilob, optoelektronik qurilmalar bilan bir qatorda tez o'sib borayotgan optik tolali aloqa sohasidan foydalangan va optik tolali sensorlarni yaratgan ishlab chiqaruvchilar tomonidan sodir bo'ldi.

Ajablanarli istiqbollar ochilmoqda, ular hozirda mavjud bo'lgan ko'pgina atrof-muhit sensorlarini almashtirish qobiliyatidan tortib, bozorga ilgari mavjud bo'lmagan imkoniyatlarni taqdim etadigan mutlaqo yangi sensorlarni joriy etishgacha.

Tashqi sensorli elementga ega optik tolali sensorlarda parametrlarni o'lchash toladan tashqarida amalga oshiriladi. Xuddi shu narsa gibrid tolali optik sensorlarga ham tegishli. Datchiklarning o'zini "qora qutilar" deb hisoblash mumkin, optik tolalar yorug'likni "qutilarga" va ma'lumotlarni qaytarish uchun ishlatiladi. Ko'pgina hollarda tashqi sensor va gibrid sensorlar atamalari bir-birining o'rnida ishlatiladi. Asosiy farq fotosensitiv elementlarning energiyasidan foydalanishda, elektron sensorni boshqarish uchun yorug'lik nuridan foydalanilganda va ma'lumotlar optik tolali kanal orqali qaytarilganda paydo bo'ladi. Bunday holda, "gibrid" atamasi ko'proq mos keladi.

Optik tolali sezgir element sifatida ishlatiladigan sensorlarning katta va muhim kichik sinfi yoki sof tolali sensorlar interferometrik sensorlardir. Eng yuqori ishlashni ta'minlaydigan sensorlarning aksariyati ushbu kichik sinfda.

Optik tolali sensorlarning bozorga dastlabki kirib borishi ularning ishlash ustunligi bilan bog'liq edi. 1-jadvalda an'anaviy elektron sensorlarga nisbatan bunday sensorlarning barcha afzalliklari keltirilgan. Optik tolali sensorlarda ishlatiladigan elementlar elektr tokiga nisbatan butunlay passivdir (nurlanmaydi va o'tkazmaydi). elektr toki), bu ko'pincha ularning ba'zi sohalarda muvaffaqiyatli qo'llanilishiga hal qiluvchi ta'sir ko'rsatadi. Tibbiyotda bu sizga bemorlarni izolyatsiya qilish imkonini beradi elektr jihozlari, yuqori kuchlanish hududida Supero'tkazuvchilar yo'llarni yo'q qiling va joylashtirilganda har qanday materiallar bilan muvofiqligi ta'minlanadi. Datchiklarning og'irligi va o'lchami xarakteristikalari aerokosmik kabi ilovalarda juda muhim va bu erda ularning kichik vazni va o'lchamlari tufayli optik tolali sensorlar ko'plab boshqa mahsulotlarga nisbatan sezilarli afzalliklarga ega. Bundan tashqari, bunday sensorlar elektromagnit parazitlarga qarshi immunitetga ega. An'anaviy elektr sensorlar ko'pincha og'ir ekranga joylashtirilishi kerak, bu ularning narxini, hajmini va vaznini sezilarli darajada oshiradi. Yuqori haroratli muhitda optik tolali sensorlardan foydalanishda ekologik barqarorlik juda muhim va mustahkam tuzilma ularga haddan tashqari tebranish va zarba yuklariga bardosh berishga imkon beradi. Yuqorida sanab o'tilgan xususiyatlarga yuqori sezuvchanlik va keng polosali ulanishni qo'shishingiz mumkin. Sensor massivining kanallarini birlashtirganda, optik tolalarning yuqori tarmoqli kengligi o'zlari olingan ma'lumotlarni uzatish imkonini beradi va shu bilan ma'lum bir afzalliklarni ta'minlaydi.

1-jadval - P optik tolali sensorlarning afzalliklari

Passivlik (to'liq dielektrik datchiklar) Yengil vaznli kichik o'lchamli Elektromagnit parazitlarga qarshi immunitet ostida ishlash qobiliyati yuqori haroratlar Keng tarmoqli kengligi tebranish va zarba qarshiligi Yuqori sezuvchanlik Elektr va optik signallarni siqish imkoniyati

Optik tolali sensorlar bo'yicha dastlabki ishlarni odatda ikkita asosiy toifaga bo'lish mumkin. Nisbatan oddiy optik tolali sensorlar tezda ommaviy ishlab chiqarilgan mahsulotlarga aylandi, ko'pincha kichik startaplar orqali va maxsus o'lchov bozorini tashkil etdi. Bunday birinchi misollardan biri yuqori kuchlanish hududida haroratni o'lchashdir. Optik tolali giroskoplar yoki gidroakustik qabul qiluvchi antenna massivlari kabi yanada murakkab optik tolali sensorlar potentsial katta, yuqori haq to'lanadigan bozorlarga chiqish maqsadida davlat dasturlari tomonidan qo'llab-quvvatlanadigan yirik ishlab chiqarish firmalari tomonidan ta'qib qilinmoqda. 1980 va 1990 yillar oralig'ida doimiy raqobatda bozorga dastlabki kirish an'anaviy texnologiyalar datchiklar, asosan, sekin edi yuqori narx tegishli komponentlarning cheklangan soni. Ammo vaziyat tez o'zgarib bormoqda va istiqbol juda qulay ko'rinadi. 1-rasmda ko'rsatilganidek, asosiy optik elementlarning narxi tez pasayib, ularning soni va xilma-xilligi ortib bormoqda. Bu omillarning barchasi ishonchlilikni oshirish va komponentlar sifatini yaxshilash bilan birlashtirilgan. Natijada, bu ishlab chiqarilgan optik tolali sensorlar assortimentining tez kengayishiga va ularning bozorga tez sur'atda chiqarilishiga olib keldi.

198019902000

1-rasm - Optik tolali sensorlarning rivojlanish tendentsiyalari

2-jadvalda ba'zi asosiy elementlardagi keskin va sezilarli o'zgarishlar ko'rsatilgan. Yagona rejimli lazerli diodlar 1970-yillarning oxirida bir necha ming dollarga tushdi va ularning ishlash muddati bir necha soat edi. 1990 yilga kelib, bu elementlar millionlab CD pleerlar va lazer printerlarida qo'llanildi, ularning narxi bir birlik uchun bir necha dollarga tushdi va resurs o'n minglab soatlarga baholandi. 1970-yillarning oxirlarida bitta rejimli optik tolaning narxi har bir metr uchun 10 dollar atrofida edi va uni olish qiyin edi. 1990-yilda telekommunikatsiya sohasida bunday toladan foydalanish odatiy holga aylandi va har yili tolaning har bir metri 0,10 dollardan kam bo?lgan millionlab kilometr aloqa liniyalari yotqizildi. Ikkala holatda ham rivojlanish xarajatlar qiymatining taxminan uch darajaga pasayishiga olib keldi va sifat va standartlashtirishning bir xil darajada keskin o'sishi bilan birga keldi.

Asosiy elementlardan keyin 1970-yillarning oxirlarida ommaviy ishlab chiqarilgan mahsulotlardan uzoqda bo'lgan laboratoriya qiziqishlari bo'lgan integratsiyalashgan optik modulyatorlar kabi murakkabroq qurilmalar paydo bo'ldi. 1990 yilga kelib, bu mahsulotlar bozorda oz miqdorda bo'lib, har biri bir necha ming dollarni tashkil etdi. 1970-yillarning oxirida noyob laboratoriya qurilmasi bo'lgan ushbu sensor uning asosiy elementi bo'lgan o'rnatilgan optik faza modulyatorlarida ishlab chiqarilgan. 1990 yilda ushbu qurilmalar bozorda cheklangan miqdorda, har bir birlik uchun 20 000 dollar narxda taklif qilingan. Bozorga kirishni ta'minlash uchun o'rtacha xususiyatlarga ega qurilmalarning narxi taxminan 500-1000 dollargacha tushishi kerak. Va bu, o'z navbatida, fazali modulyatorlarning narxi bir birlik uchun taxminan 50 dollargacha tushishini talab qiladi.

2-jadval - Optik tolali sensorlar uchun zarur komponentlar sezilarli darajada arzon

198019902000 lazerli diodlar 3000 dollar / dona (prototiplar) $3 / dona (CD pleyerlar) - Yagona rejimli tola $5-10/m (cheklangan bozor ta'minoti) $0,1/m (standart aloqa) - Integratsiyalashgan optik modulyatorlar Laboratoriya namunalari $7000/pc (prototiplar) $ 50 / dona (optik tolali giroskoplar) optik tolali giroskoplar laboratoriya namunalari 20000 dollar / dona (prototiplar) 500-1000 dollar / dona (arzon navigatsiya qurilmalari)

Har bir muvaffaqiyatli yangi mahsulot bilan mavjud va yangi kiritilgan komponentlarning narxi pasayishda davom etmoqda, bu esa tijoratda mavjud bo'lgan yangi optik tolali sensorlar oqimiga yo'l ochib beradi. 1980-yillarda juda kam komponentlar mavjud edi va ularning narxi nisbatan yuqori edi, buning natijasida optik tolali sensor ilovalari bozorda juda kichik o'rinni egalladi va etkazib berish faqat bir nechta narsalarga qisqardi. 1990 yilga kelib, tola komponentlari, yorug'lik manbalari va tolani ajratgichlar narxi keskin pasayib ketdi va multipleks elementlar qulay narxlarda sotuvga tayyor edi. Bozorda nisbatan qimmat bo'lgan integratsiyalangan optik qurilmalar kabi yangi mahsulotlar ham bor edi. Ushbu ishlanmalar sanoat va energetika sanoatida asbob-uskunalar sifatida optik tolali sensorlarning kiritilishiga, shuningdek, optik tolali giroskoplar kabi cheklangan miqdordagi murakkab optik tolali sensorlar prototiplarining joriy etilishiga olib keldi. 2000 yilga kelib bozorda arzon narxlarda mavjud bo'lgan qurilmalar soni sezilarli darajada ko'payishini kutish mumkin, bu esa optik tolali dizaynerlarga hozirgi texnologiyalarga qaraganda ancha past narxlarda yuqori unumdorlikni ta'minlaydigan keng turdagi qurilmalarni chiqarishga imkon beradi. ruxsat berish. Shu bilan birga, fan va texnikaning mutlaqo yangi sohalarida datchiklardan foydalanish mumkin bo‘ladi. Xususan, eng so‘nggi ishlanmalar an’anaviy aylanadigan inertial datchiklarni optik tolali giroskoplar bilan almashtirish, boshqaruv va ishlab chiqarish jarayonlarida optik tolali datchiklardan kengroq foydalanish, shuningdek, ulardan aerokosmik sohadagi tizim va uskunalar holatini kuzatishda foydalanish imkonini beradi. va qurilish sanoati.

Bu ishlanmalarning barchasi telekommunikatsiya va optik tolali sensor texnologiyalarining konvergentsiyasiga asoslangan kattaroq va murakkab tizimlarga olib keladi. Yangi binolar barcha yashovchilarni tarmoqqa ulash va muhim ish faoliyatini qayta ishlash xizmatlarini taqdim etish uchun optik tolali tizimlardan foydalanadi. Bunday xizmatlar harorat, namlik va quvvat sarfini kuzatish va eng muhim ma'lumotlarni markaziy boshqaruv xonasiga uzatishning ikki tomonlama funktsiyasini bajaradi. Optik tolalarning o'tkazish qobiliyati va o'lchash imkoniyatlari san'at darajasidan ancha yuqori imkoniyatlarni taqdim etadi. Shunga o'xshash xizmatlar universal aloqani ta'minlashi mumkin, bu esa gazni qo'lda tekshirish zaruratini bartaraf qiladi va elektr hisoblagichlari. Xuddi shu printsipga ko'ra, markazlashtirilgan xavfsizlik va yong'indan himoya qilish tizimlari, shuningdek, shoshilinch tibbiy yordamni muvofiqlashtirish mumkin.

Bu orzularni ro‘yobga chiqarish uchun xomashyoni optik komponentlarga, optik komponentlarni optik tolali datchiklarga aylantirish va optik tolali datchiklar asosida foydali tizimlarni yaratish texnikasi va usullarini takomillashtirish zarur. Ushbu kitobning qolgan qismi har bir sohada tanlangan mavzularni ko'rib chiqishga va foydali va istiqbolli yondashuvlarni tavsiflashga bag'ishlangan. Umid qilamizki, ushbu kitob o'quvchilari yangi va yaxshi kelajakni qurishda juda foydali bo'ladi.

2. Optik tolali sensorlar uchun optik modulyatorlar

Optik modulyatorlar tolaning asosiy qurilish bloklaridir optik tizimlar, amplituda, faza, chastota va polarizatsiya modulyatsiyasi kabi turli funktsiyalarni bajaradi. Ko'pgina hollarda qattiq holatda bo'lgan qurilmalar qo'llaniladi, bunda yorug'lik nazorat elektr signaliga ta'sir qilganda qurilma materialining optik xususiyatlarini o'zgartirish orqali modulyatsiya qilinadi. Tekshirish signalini materialning xususiyatlari bilan bog'lash mexanizmi elektro-optik, akusto-optik yoki magnit-optik bo'lishi mumkin. Ko'pgina optik modulyatorlar hali ham tadqiqot laboratoriyalarida o'rganilayotgan bo'lsa-da, yuqori samarali qurilmalar optik tolali sensorlarda juda keng tarqalmoqda.

Qattiq holatdagi optik modulyatorlarning uch turi mavjud. Bular volumetrik, birlashtirilgan optik va sof tolali qurilmalardir (2-rasm). Signal materialning qattiq blokidan o'tadigan hajmli modulyatorlar nisbatan uzoq vaqt davomida ishlab chiqilgan va ko'p yillar davomida ommaviy ishlab chiqarilgan. Biroq, ularda to'lqin yo'riqnomasi yo'q va optik tolalardan nurlanishni olish va keyin uni optik tolaga qayta ishga tushirish uchun yuqori nazorat kuchlanishi va tashqi optikani talab qiladi. Integratsiyalashgan optik modulyatorlarda to'lqin o'tkazgichlar to'g'ridan-to'g'ri modulyatorning materialiga o'rnatiladi. Bu talablarni sezilarli darajada kamaytiradi elektr quvvati va optik tolalarga ulanish uchun tashqi optikaga ehtiyojni yo'q qiladi. Ko'pgina bunday qurilmalar ishlab chiqilgan va ularning ba'zilari ommaviy ishlab chiqarilgan.

2-rasm - Qattiq holatdagi optik modulyatorlarning uchta asosiy turi: a) volumetrik; b) birlashtirilgan optik; c) toza tola

Sof tolali modulyatorlarda optik signal hech qachon tolani tark etmaydi, u nazorat signaliga duchor bo'ladi, bu esa kerakli modulyatsiyaga olib keladi. Ushbu turdagi qurilmalarning afzalligi optik tolalarga ulanish va nozik sozlash uchun zarur bo'lgan optikadan voz kechish qobiliyatidir. Biroq, shisha kabi keng tarqalgan tolali materiallarning modulyatsiya qobiliyati nisbatan zaif va qurilmalar etarlicha yuqori haydash kuchlanishini talab qiladi. Ushbu turdagi modulyatorlar hali ham ishlab chiqilmoqda.

3. Intensivlikni o'lchash va Fabry-Perot interferometriga asoslangan sensorlar

3.1 Intensivlik sensorlari

Birinchi optik tolali sensorlar 1970-yillarda kam yo'qotilgan tolalar paydo bo'lishidan oldin ham ishlab chiqilgan. Ob'ekt tomonidan aks ettirilgan yoki uzatilgan yorug'likni o'lchash uchun ular to'plamlar yoki bitta tolalardan foydalanganlar. Bugungi standartlarga ko'ra eng sodda bo'lgan ushbu texnologiya, shunga qaramay, cheklangan miqdordagi ilovalarda optik tolali afzalliklarni taqdim etdi. Yangi tolalar paydo bo'lishi bilan sensorlarning samaradorligi yaxshilandi. Ishonchli monofiber optik kabellarning mavjudligi samarali optik tizimlar va miniatyuralashtirilgan sensorlarni amalga oshirish imkonini berdi. Oddiy aks ettiruvchi va uzatuvchi tizimlardan tashqari, chekkalarni kuzatish, mikrobilish, umumiy ichki aks ettirish va fotoelastiklik yordamida usullar ishlab chiqilgan. To'g'ri harakat amaliy qo'llash optik tolali sensorlar tezda sodir bo'ldi.

Intensivlik sensorlari tabiatan oddiy va juda cheklangan elektron interfeysni talab qiladi. Bir tolali aks ettiruvchi sensor quyidagicha ishlaydi: yorug'lik tola bo'ylab chapdan o'ngga o'tadi, nihoyat konus shaklida toladan chiqadi va harakatlanuvchi reflektorga uriladi. Agar reflektor tolaning oxiriga yaqin bo'lsa, nurlanishning katta qismi tolaga qaytariladi; reflektor tolaning uchidan qanchalik uzoqroqqa o'tkazilsa, nurlanish shunchalik kam tolaga qaytadi. Masofani o'lchash uchun reflektor tolasining masofasi va qaytib nurlanish o'rtasidagi monotonik munosabatdan foydalanish mumkin. Bunday sensorning aniq cheklanishi, ko'pchilik intensivlik sensorlari uchun umumiy cheklov, mos mos yozuvlar signalining yo'qligi.

Agar yorug'lik manbasining chiqish darajasi o'zgarsa yoki tolaning yo'qolishi vaqt o'tishi bilan o'zgarib tursa, bu noto'g'ri masofani o'lchashga olib keladi. Katta darajada, bu ko'proq manbalar yoki ko'proq tolalar yordamida qoplanishi mumkin. Bu erda tola o'qiga perpendikulyar harakat ikki qabul qiluvchi tolalar yordamida o'lchanadi, ular orasida harakatlanuvchi toladan nurlanish tarqaladi. Qabul qiluvchi tolalardan olingan fototoklarning tegishli kombinatsiyasi bilan siljish va chiqish o'rtasida deyarli chiziqli munosabatni kuzatish mumkin. Yo'qotishlarni kiritish bilan yana bir sxema. Kuch radiatsiya amplitudasini modulyatsiya qiluvchi polarizatsiyaning o'zgarishiga olib keladi. Ushbu sensor uchun mos yozuvlar signali bilan bog'liq yuqorida tavsiflangan muammolar, shuningdek, piezo-optik material tufayli xarakteristikaning chiziqli bo'lmaganligi va histerezis dolzarbligicha qolmoqda.

Intensivlikni modulyatsiya qilishning eng mashhur usullaridan biri radiatsiya yo'qotilishiga olib keladigan tolaning egilishiga asoslangan. Bunday mikrobending datchiklari o'lchangan parametr (deformatsiya, bosim, kuch, pozitsiya, tezlashuv) mexanik ravishda tolani deformatsiya qiluvchi qurilmaning harakatiga aylantirilishi mumkin bo'lgan ilovalarda qo'llaniladi.

Deformatsiyalash moslamasi yopilganda radiatsiya yo'qotishlari ortadi va uzatiladigan nurlanish miqdori kamayadi.

harakatlanuvchi

3-rasm - Microbend sensori. Deformatsiyalash moslamasi siljishning ortishi bilan tolada egilish yo'qotilishini oshiradi.

.2 Yarimo'tkazgichni sezuvchi elementli harorat sensorlari

Haroratni o'lchash uchun yutilish zonasi chegarasining haroratga bog'liqligidan foydalanish mumkin. Bir toladan radiatsiya GaAs prizmasi orqali boshqa tolaga o'tadi. Agar foton energiyasi tarmoqli bo'shlig'idan kichik bo'lsa (ya'ni, to'lqin uzunligi taxminan 900 nm dan katta bo'lsa), radiatsiya GaAs da unchalik susaymaydi. To'lqin uzunliklari qisqaroq bo'lgan fotonlar so'riladi. Yutish zonasi chegarasi taxminan 0,5 nm/°C ga siljiydi. Bu 0,1 ° S datchikning aniqligini olish uchun 1 A tartibli zona chegarasida to'lqin uzunligining aniqligiga qo'yiladigan talablarni nazarda tutadi. Bu aniqlik GaAs strukturasining bir xilligi bilan chegaralanadi. Shunga o'xshash harorat sensorlari haroratga sezgir filtrlar yordamida tuzilishi mumkin (masalan, Schott RG830 kolloid past o'tish filtri).

Zona chegarasida ishlaydigan sensorlar bilan birgalikda keng ko'lamli o'qish optikasi ishlatilishi mumkin: intensivlikni o'lchash pallasida ishlatiladigan bitta fotodioddan CCD spektrofotometrik massivlarigacha. Ko'pincha, o'qish optikasi slot filtrining ikkala tomonidagi uzoq va qisqa to'lqin uzunliklariga javob berish uchun sozlangan bir juft fotodioddan foydalanadi. Sensor uchun yorug'lik manbalari spektrning kamida ikkita hududida energiya bilan ta'minlashi kerak. Buning uchun slot filtrining ikkala tomonidagi uzun va qisqa to'lqinlarga mos keladigan ikkita LED ishlatilishi mumkin yoki yagona manbai slot filtriga qaraganda kengroq spektr bilan. Agar manba spektrining kengligi 100 nm dan kam bo'lsa, tegishli normalizatsiya sxemasi qo'llanilsa, tolaning burmalari, konnektor yo'qotishlari va boshqalar sensorning chiqishiga ta'sir qilmaydi. Normalizatsiyaga odatda chiqish signali sifatida uzoq va qisqa to?lqinli fototoklar nisbati yordamida erishiladi.

Ko'p rejimli tolalar

Shakl 4 - GaAsdagi tarmoqli chegara siljishidan foydalangan holda harorat sensori

3.3 Ko'p rejimli Fabry Perot sensorlari

Fabry-Perot sensorlarining tarixi XIX-XX asrlar oxirida parallel plastinka interferometridan foydalanish bilan boshlangan. Kuchlanish va bosim sensorlari Fabry va Perot tomonidan tasvirlangan; Megger va Peters sinishi indeksini o'lchadilar. Albatta, ushbu sensorlarning barchasi optik tolalar yoki qattiq yorug'lik manbalaridan foydalanmadi.

Ko'p rejimli sensorlar bir rejimli sensorlarga nisbatan bir qator asosiy afzalliklarga ega: (1) arzon, bardoshli LED manbalaridan yorug'likni samarali kiritish imkoniyati; (2) oson kirish mumkin bo'lgan ulagichlar va boshqa optik tolali komponentlardan foydalanish va (3) qulay tolali tugatish. Fabry-Perot sensorlari ko'p rejimli tolalardan foydalanishning qo'shimcha afzalliklaridan foydalanishi mumkin: (4) arzon sezgir elementlar va (5) bir nechta turdagi sensorlar uchun bir xil o'qish optikasidan foydalanish imkoniyati.

Ko'p rejimli interferometrik sensorlar bir rejimli ekvivalentlarga qaraganda kamroq sezgir; ammo sanoat o'lchovlarida bu ko'pincha muammo emas. Misol uchun, MetriCor-ning multimodli harorat sensorlari taxminan 0,1 ° C o'lchamga ega. O'n santimetr uzunlikdagi bir rejimli interferometrik harorat sensori, 10-4 rad interferometr sezgirligini inobatga olgan holda, 100 rad ° C-1 m-1 bo'lgan tolalar harorati sezgirligi uchun Hawker qiymatidan foydalangan holda 10-5 ° C o'lchamlari bo'lishi mumkin. Ko'p rejimli sensorlarning nisbatan past sezuvchanligi fundamental ahamiyatga ega emas, chunki barcha ochiq konturli sensorlarning dinamik diapazoni bir xil darajada. Bunday holatda, zarur bo'lgandan ko'ra ko'proq ruxsat faqat sensorning samarali ishlash diapazonini kamaytiradi. Agar qurilmada chekkalarni hisoblash yoki unga tenglashtirilgan usul qo'llanilsa, dinamik diapazon cheklanishini bartaraf etish mumkin. Fringe hisoblash usuli, odatda, elektr to'satdan uzilib qolganda noaniqlikni o'qish bilan bog'liq muammolarga ega, shuning uchun bu usulni amaliy qo'llashda qo'llash mumkin emas.

3.4 Ko'p rejimli Fabry-Perot sensorlarining rivojlanish tarixi

Fabry-Perot sensorlari haqidagi dastlabki qog'oz 150 °C diapazonli harorat sensori uchun 0,5% aniqlik bilan qiymat beradi. Past va yuqori sifat standartlari yordamida turli xil sensorlar ishlab chiqilgan. Fabry - Perot sensorlarini seriyali ishlab chiqarishni tashkil etish tezda individual ravishda yig'ilgan laboratoriya namunalaridan keng harorat oralig'ida ishlaydigan qurilmalarga o'tdi. Sensor dizaynidagi boshqa yaxshilanishlar arzon va bir xil bo'lgan integral mikrosxemalar texnologiyasidan foydalangan holda ishlab chiqarilgan sensorlar oilasiga olib keldi. 0,7 mkm qalinlikdagi kremniy qatlamini sepish orqali tolaning uchiga joylashtiriladigan harorat sensorlari ishlab chiqilgan.

.5 Ishlash tamoyillari

Fabry-Perot interferometrlari optik shaffof muhitning har ikki tomonida joylashgan ikkita reflektordan iborat. Reflektorlar orasidagi mos masofa bilan interferometrning o'tkazuvchanligi yuqori bo'ladi. Masofani o'zgartirish o'tkazuvchanlikning pasayishiga olib keladi. Yuqori reflektorli reflektorlar bilan o'tkazuvchanlik to'lqin uzunligi yoki reflektorlar orasidagi masofadagi o'zgarishlarga juda sezgir. Umuman olganda, interferometrning samaradorligi ko'pincha sifat omili bilan tavsiflanadi

F = 4R/(1-R2) (3.1)

bu erda R - yo'qotishlar bo'lmaganda ko'zgularning aks ettirish koeffitsienti. Sifat omilining turli qiymatlari uchun o'tkazuvchanlikning reflektorlar orasidagi masofaga bog'liqligi 3.3-rasmda ko'rsatilgan. Yuqori Q-interferometrlari foydalidir, chunki ular spektrning xususiyatlarini aniq aniqlash imkonini beradi; past sifatli interferometrlar murakkab qayta aloqa davrlarisiz o'lchangan parametrning keng diapazonida chiziqli rejimga imkon beradi.

Fabry-Perot interferometrlari sensorlarda foydalanish uchun jozibador, chunki ular o'lchangan fizik yoki kimyoviy miqdorlar bilan bog'lanishni osonlashtiradi. Harorat sensori bo'lsa, buni harorat o'zgarishining interferometr reflektorlari oralig'iga qanchalik bog'liq bo'lishi mumkinligini tekshirish orqali ko'rsatish mumkin. Quyidagi ro'yxatda har bir element alohida optik parametrni ifodalaydi, bu orqali haroratning o'zgarishi interferometrning optik rezonansi bilan bog'liq bo'lishi mumkin: (1) ajratuvchi halqaning chiziqli kengayishi; (2) reflektorlar orasidagi muhitning sindirish ko'rsatkichining o'zgarishi; (3) reflektorlar orasidagi muhitni kengaytirish; (4) reflektorlarning egri chizig'ini o'zgartirish; (5) reflektorning yutilish yoki aks ettirish qobiliyatining o'zgarishi va (6) reflektorlar orasidagi muhitda spektral yutilish yoki sochilishning o'zgarishi. Yaxshiyamki, yuqorida sanab o'tilgan parametrlardan faqat bitta yoki ikkitasini o'lchash uchun interferometrlarni loyihalash mumkin, qolganlarning aralashuviga javobni yo'q qiladi. Bu, masalan, bosimga sezgir bo'lmagan harorat sensorlarini ishlab chiqish imkonini beradi.

Optik qalinligi

Shakl 5 - Fabry-Perot interferometr o'tkazuvchanligi da turli qiymatlar sifat omili

Ko'p rejimli tolali Fabry-Perot sensorlari turli xil nurlanish manbalaridan foydalanadi. Qoida tariqasida, manbaning spektral kengligi muhim bo'lgan asosiy parametrdir va ma'lum bir o'qish sxemasini tanlash bilan belgilanadi. Yopiq halqa o'qish yuqori Q interferometrlari va lazer manbalaridan foydalanish imkonini beradi. Ushbu misolda lazer to'lqin uzunligi interferometr rezonansining siljishi bilan birga keladi. Spektrofotometr yoki ekvivalenti mavjud bo'lsa, oq yorug'lik manbalaridan foydalanish mumkin. LEDlar eng keng tarqalgan bo'lib, ular interferometrlar va turli dizayndagi o'quvchilar bilan ishlatilishi mumkin. Ba'zi sensorlar interferometrdagi yo'qotishlar va noaniqliklar tufayli xatolarni kamaytirish uchun ikkita manbadan foydalanishi mumkin.

4. Ko'p rejimli difraksion datchiklar

Shakl - 6 Yorug'likning qattiq jismdagi diffraktsiyasi

Optik panjaralarning xossalarini tahlil qilishdan oldin diffraktsiyani o'rganish kerak. Diffraktsiya hodisasi yorug'likning nurlanish geometrik optikasi asosida kutilishi mumkin bo'lganidan sezilarli darajada farq qiladigan xususiyatlarini namoyon qiladi. Difraksiyaning eng oddiy misolini kvazimonoxromatik manba bilan yoritilganda, yaxshi shaklli ob'ekt, masalan, tanga tushgan soyani tekshirish orqali kuzatish mumkin (6-rasm). geometrik optika tanga tomonidan tushirilgan soya tanga perimetriga mos keladigan kontur bilan mukammal qorong'u doira bo'lishi kerakligini bashorat qiladi. Bunday soya ko'rinadi, lekin agar siz uning chekkalariga diqqat bilan qarasangiz, ular unchalik aniq belgilanmaganligini ko'rasiz. Aksincha, ular ko'plab o'zgaruvchan qorong'u va yorug'lik joylaridan (bandlardan) iborat. Keyinchalik tekshirilganda, soyaning o'zi bir xilda qorong'i emasligi, balki markazga yaqinlashganda asta-sekin qorayishi aniqlanadi. Umuman olganda, diffraktsiyani to'siqlarning uzatiladigan nurlanishga ta'siri sifatida aniqlash mumkin.

Ikki xil difraksiya mavjud - Fraungofer diffraktsiyasi va Fresnel diffraktsiyasi. Frenel diffraktsiyasi yaqin maydon diffraktsiyasi, Fraungofer diffraktsiyasi esa uzoq maydon ko'rinishi deb ataladi. Ikkinchi holda, parallel kollimatsiyalangan yorug'lik nuri qabul qilinadi va birinchisi bunday cheklovni o'z ichiga olmaydi. Shunday qilib, Fraungofer diffraktsiyasi Fresnel diffraktsiyasining alohida holatidir, ammo analitik ta'riflash ancha oson bo'lganligi sababli, biz uni diffraktsiyaning ma'lum xarakterli ko'rinishlarini namoyish qilish uchun ko'rib chiqamiz.

O'rganish uchun eng oddiy holat - bu bitta tirqish orqali diffraktsiya. Bunday holda yorug'lik tor tirqishdan o'tadi va ekranga proyeksiyalanadi. Markaziy maksimal I0 kuzatiladi - ekranning boshqa joylarida tirqishning yuqori va pastki qirralari tomonidan tarqaladigan yorug'lik o'rtasida interferensiya paydo bo'ladi. Bir-biridan a/2 masofada joylashgan tirqish bo'laklari orqali o'tadigan yorug'lik nurlarining barcha juftlari bir xil tarqalish masofasi farqiga ega bo'ladi b. Bu holda, xususan, b ni ko'paytirilgan butun songa teng bo'lganda zaiflashtiruvchi interferensiya sodir bo'ladi. l/2. Biroq, gunohdan beri th - b/(a/2), olamiz

asin th = ml (4.1)

Bu erda m - butun son, mutlaq qiymati 1 ga teng yoki undan katta. (4.1) tenglama - bitta tirqishdagi Fraungofer difraksiya minimallari uchun tenglama. Ushbu tenglamani o'rganish ikkita muhim nuqtani aniqlaydi. Birinchidan, pasayganda (bo'shliq torayadi), minimallar paydo bo'ladi kattaroq ma'no ichida. Ikkinchidan, tirqish kengligining doimiy qiymatida a b to'lqin uzunligi bilan ortadi (ya'ni, qizil yorug'lik ko'k nurga qaraganda ko'proq sinadi). Bu sinishi bilan sodir bo'ladigan narsaning teskarisi bo'lib, bu hodisa to'lqin uzunligi kamayishi (xromatik dispersiya) tufayli optik materiallardagi sinishi indeksining umumiy pasayishi bilan bog'liq.

Optik tizimlarning ruxsati ko'pincha diffraktsiya bilan chegaralanadi. Bunga misol teleskop bir-biriga yaqin joylashgan ikkita alohida yulduzning tasvirlarini ajratishga harakat qilganda yuzaga keladigan muammodir. Teleskopda yaratilgan ikkita yulduzning yorug'lik diffraktsiya naqshlari bir-birining ustiga tushadi. Agar markaziy maksimallar etarlicha yaqin bo'lsa, ular bir xil ko'rinadi. Agar bir yulduzning yorug'ligi bilan yaratilgan maksimal boshqasining yorug'ligi bilan yaratilgan birinchi minimalga to'g'ri kelsa, u holda maksimal aniqlikka erishildi. Agar rasmlar bir-biridan uzoqroqqa ko'chirilsa, ikki yulduz o'rtasidagi o'lchamlari aniqroq bo'ladi. Cheklovchi rezolyutsiya sharti Rayleigh mezoni deb ataladi. Berilgan linzalar uchun Rayleigh mezoni minimal ruxsat burchagini hisoblash imkonini beradi. Agar linzaning diametri D bo'lsa va to'lqin uzunligi A nuri bilan to'liq yoritilgan bo'lsa, u holda minimal ruxsat burchagi

th min =1,22l /D (4.2)

Amaliy nuqtai nazardan qaraganda, difraksiyaga asoslangan eng foydali qurilma difraksion panjara hisoblanadi (7-rasm). Bunday holda, panjara yorug'likni har birining kengligi a bo'lgan, bir-biridan s masofada joylashgan tirqishlar to'plami orqali o'tkazadi. Bu masofa panjara davri deb ataladi. Panjaraga perpendikulyar yorug'lik tushishini oddiy tahlil qilish s panjara tenglamasini beradi

sinth =ml (4.3)

to'lqin uzunligi bilan yorug'lik uchun maksimal o'rnini aniqlash l. N tirqishlar soni va tirqishlar kengligini hisobga olgan holda yanada qat'iy tahlil qilish I optik quvvatning burchak taqsimotini olish imkonini beradi. (th), ekranga tushish. Bunday holda, normallashtirilgan optik quvvat taqsimoti tomonidan beriladi

men( th )=sin2A1sin2NA2/A21sin2A2 (4.4)

Bu erda A1 va A2 quyidagicha aniqlanadi

A1= pa sinth /l A2= ps sinth /l (4.5)

hodisa nuri

Rasm - 7 Ko'p yoriqlar bo'yicha diffraktsiya

A1 qiymati diffraktsiyaning bir tirqishga ta'sirini, A2 - bir nechta tirqishlardan interferensiyani ifodalaydi. (4.4) tenglamani o'rganish shuni ko'rsatadiki, asosiy panjara maksimallarining pozitsiyasi tirqishlar sonining kvadratiga bog'liq. Binobarin, slotlar sonining ko'payishi turli tartibli markaziy maksimallarning oshishiga va ular orasidagi ikkilamchi diffraktsiya effektlarining bostirilishiga olib keladi.

Va nihoyat, qiziqishning yana ikkita panjara xususiyati burchak dispersiyasi va ruxsatidir. Burchak dispersiyasini to'g'ridan-to'g'ri asosiy panjara tenglamasidan (4.3) har ikki tomonning hosilasini olib, s va m doimiy deb hisoblash mumkin. Bu chiqadi

dth /dl =m/s costh (4.6) Ko'rinib turibdiki, to'lqin uzunligi o'zgarishi bilan burchakning o'zgarishi tartib ortib borishi bilan ortadi. Rezolyutsiyani yoki eng kichik to'lqin uzunligi farqini ? aniqlash uchun yanada murakkab tahlil talab qilinadi l, ma'lum bir to'lqin uzunligida aniqlanishi mumkin l va N bilan m panjarani tartiblang

5. Ko'p rejimli polarizatsiya sensorlari

optik tolali sensorning polarizatsiyasi

5.1 Polarizatsiya va kechikishning fenomenologik tavsifi

Yorug'lik nurlarining eng muhim xususiyatlaridan biri uning qutblanish turidir. Ruxsat etilgan polarizatsiya turlari chiziqli, elliptik yoki dumaloqdir. Har qanday elektromagnit nurlanishni har biri ma'lum bir chiziqli polarizatsiya holatiga ega bo'lgan komponentlar to'plami sifatida ifodalash mumkin. 8-rasmda yorug'lik nurining asosiy tekislik to'lqin komponentlaridan biri bo'lgan elektr maydonining "surat" ko'rsatilgan. Polarizatsiya yo'nalishi tarqalish yo'nalishiga perpendikulyar bo'lgan komponent bilan bog'liq bo'lgan elektr maydonining yo'nalishi sifatida aniqlanadi. Vaqt o'tishi bilan maydonlari bir-birining ustiga qo'yilgan ko'p sonli komponentlarning o'rtacha hisoblanishi natijasida, ruxsat etilgan qutblanish turlaridan tashqari, qutblanmagan yoki qisman qutblanganlar paydo bo'lishi mumkin.

Tekis to'lqin tomonidan olib boriladigan energiya to'lqin bilan bog'liq bo'lgan elektr maydonining kvadratiga bevosita bog'liq. Buni to'lqin tomonidan olib boriladigan energiyani aniqlaydigan Umov-Poynting vektorini hisoblash orqali ko'rsatish mumkin.

tarqalish elektromagnit to'lqin Elektr maydoni

Tarqalish yo'nalishi

Rasm - 8 Tarqaladigan elektromagnit to'lqinning "Snapshot"

Endi to'lqin energiyasini aniqlash uchun Umov-Poynting vektori P = 1/2 ExH dan foydalanish mumkin.Agar E vektor x o'qi bo'ylab, H esa y o'qi bo'ylab yo'naltirilgan bo'lsa, Umov- Poynting vektori ga teng

P = ^ExH = z(e/4m)1/2E20 (5.1)

chunki tekis to'lqin holati uchun H=(e/4m)1/2E, bu erda e - dielektrik o'tkazuvchanlik va m - muhitning magnit doimiysi. Tahlil qilish uchun biz yorug'lik nurlari bilan bog'liq bo'lgan bunday psevdoelektrik maydonlarni ko'rib chiqamiz, ularning mutlaq qiymati kvadrati nurning intensivligiga teng. Bu psevdo-maydonlar proportsionallik omiligacha real maydonlarga teng

e=(e/4m)1/4E (5.2)

shunday qilib

I = e.e*=(e/4m)1/2E20 (5.3)

bu erda I yorug'lik nurining birlik maydoniga to'g'ri keladigan energiya.

Yorug'lik nurlari uchun mumkin bo'lgan turli xil qutblanish holatlarini tavsiflash uchun ikkita chiziqli polarizatsiyalangan tekislik to'lqin komponentlarini ko'rib chiqing, ularning har biri z yo'nalishi bo'yicha tarqaladi. Ularning elektr maydonlarining amplituda vektorlari mos ravishda x va y o'qlari bo'ylab yo'naltiriladi. Tegishli psevdo-maydonlar sifatida ifodalanishi mumkin

E1=xaxe-i(?t-kz+dx) (5.5)

Bu erda dX va dY z o'qidagi ba'zi mos yozuvlar nuqtasiga nisbatan har bir to'lqinning mos keladigan fazasini ifodalaydi. (5.5) tenglamalarni quyidagicha qayta yozish mumkin

e1=xAxei(0), e2=yAyeid (5.6)

Murakkab fazoviy va vaqtinchalik maydon o'zgarishlari endi Ax va Ayga kiritilgan va z o'qidagi mos yozuvlar nuqtasi dx=0 va dy=d bo'ladigan tarzda siljiydi. Endi e1 miqdori ga nisbatan d ga ortda qolishini aytishimiz mumkin

Mumkin qutblanish holatlari endi e1 va e2 vektorlarining yig'indisini hisobga olgan holda tuzilishi mumkin:

ETxAx+yAyeid (5.7)

Agar Ax = Ay = A va d = 0 bo'lsa, u holda

ET(d=0)=A(x+y) (5.8)

Bu erda nur p/4 yo'nalishi bo'yicha qutblanadi, kuzatuvchi optik manbaga qaraganida, nurni ko'radi. Agar d = p bo'lsa, u holda

eT=(d=p)=A(x-y) (5.9)

bular. yorug'lik -p/4 yo'nalishida qutblangan.

Agar siz elektr maydonining (t = 0) "suratini" olsangiz, (5.8) va (5.9) tenglamalardagi maydonlar cos kz ning tarkibiy qismi sifatida z o'qidagi pozitsiyaga qarab o'zgarishini ko'rishingiz mumkin. A.da, boshqa tomondan, tomon, z o'qining ma'lum bir nuqtasi tanlangan bo'lsa, bu nuqtadagi o'zgarishlar cos'nt ga proportsional bo'ladi. Bu ikkala holat ham chiziqli polarizatsiyani ifodalaydi.

Endi d=2p/2 yoki chorak to'lqinli kechikish holatini ko'rib chiqing. Bunda em vektorlarining yig'indisi ga teng bo'ladi

ET=a(x cos(?t-kz)-ysin(?t-kz)) (5.10)

t = 0 da maydon vektori kattalikda doimiy bo'lib qoladi, lekin z pozitsiyasi o'zgarganda z o'qi atrofida aylanadi. Xuddi shunday, z = 0 da, hosil bo'lgan vektor vaqt o'tishi bilan z o'qi atrofida aylanadi. Polarizatsiyaning bu turi dumaloq qutblanish deb ataladi, chunki maydon vektorining oxiri aylanani tasvirlaydi. Kechikish miqdori p/2 chap tomonda dumaloq polarizatsiya hosil qiladi; ya'ni manbaga to'g'ridan-to'g'ri qaraydigan kuzatuvchi uchun maydon vektori chapga, soat sohasi farqli ravishda aylanadi. d=-p/2 da maydon vektori soat yo'nalishi bo'yicha aylanadi, bu esa to'g'ri dumaloq polarizatsiyani aniqlaydi.

d ning mp/2 ga teng bo'lmagan qiymatlari uchun, bu erda m butun son bo'lsa, elektr maydon vektorining oxiri ellipsni tasvirlaydi va shuning uchun bu polarizatsiya turi elliptik qutblanish deb ataladi. U dumaloq polarizatsiya holatida bo'lgani kabi chap yoki o'ng elliptik bo'lishi mumkin.

Xulosa maydoni uchun ixtiyoriy kechikish bilan umumlashtirilgan ifoda quyidagicha aniqlanadi

eT=a(xe-i(?t-kz)-ye-i(?t-kz+d)) (5.11)

Biroq, bu o'lchangan maydon vektori uchun juda kam uchraydigan holat. Odatda, ma'lum bir polarizatsiyada olib boriladigan optik quvvat o'lchanadi. Olingan optik quvvatni polarizatorning uzatish o'qi (x o'qiga nisbatan th burchak) funktsiyasi sifatida hisoblash uchun birlik vektorining th yo'nalishidagi nuqta mahsulotining kvadratini va maydon vektorini hisoblash kerak.

I=|(x costh+y sinth)eT|2 (5.12)

Olingan tenglamalarni birlashtirib

I=a2(1+ sin2th cosd) (5.13)

Polarizatorning uzatish o'qi va kechikishlarining turli yo'nalishlari uchun uzatilgan nurlanishning optik energiyasining grafiklari I ga mos keladigan qutb koordinatalarining burchagi b va qutb radiusi I ga to'g'ri keladigan 9-rasmda ko'rsatilgan.

Shakl -9 Bir nechta yorug'lik intensivligi burchakka nisbatan turli davlatlar qutblanish

6. Sagnac interferometri va passiv halqali rezonator asosidagi optik tolali sensorlar

Sagnac interferometrlari va passiv halqali rezonatorlar atrof-muhit parametrlarining keng doirasini aniqlash uchun ishlatilishi mumkin. Ushbu tamoyillar asosida qurilgan optik tolali giroskoplar navigatsiya dasturlarida faqat bir necha yil oldin orzu qilish mumkin bo'lgan barcha qattiq jismli ixcham inertial o'lchash asboblari uchun keng imkoniyatlarni ochadi. Bunday sensorlardan foydalanish aylanishni o'lchashdan tashqariga chiqadi; ularning noyob afzalliklari akustik o'lchovlarda keng foydalanish istiqbollarini ochadi, magnit maydon, harorat, tezlanish va mexanik kuchlanishlar. Ushbu qurilmalar yorug'lik manbalari va optik tolalarning xususiyatlarini o'rganishda ham qo'llanilishi mumkin.

.1 Optik aylanish sensorlari va Sagnac effektiga umumiy nuqtai

.2 Aylanish sensorining asosiy xarakteristikalari

Jadval-3 Xarakteristikalarning ta'rifi

Xarakteristikalar Ruxsat etilgan ofset Aylanadigan enkoderning chiqish tezligi nol kirish tezligida nolga teng emas Ofset drift Haroratning o'zgarishi, magnit maydonlar, komponentlarning qarishi va eskirishi kabi ta'sirlar tufayli vaqt o'tishi bilan enkoderning chiqish tezligining o'zgarishi Sezuvchanlik (eshik) Berilgan integratsiya vaqti uchun minimal o'lchanadigan aylanish tezligi O'lchov faktor Linearity Chiqish signalining aylanish yo'nalishidan mustaqilligini o'lchash histerezis Ko'rib chiqilgan barcha aylanish tezligi uchun K-qiymatining o'zgarmasligi darajasining o'lchovi

Sezuvchanlik yoki chegara - bu tarafkashlikning yana bir tarkibiy qismi. U ma'lum bir integratsiya vaqti uchun minimal aylanish tezligi sifatida o'lchanadi. E'tibor bering, integratsiya vaqti qanchalik uzoq bo'lsa, sezgirlik shunchalik yuqori bo'ladi. Bu erda murosali yondashuv muhim, chunki ruxsat etilgan integratsiya vaqti dasturga juda bog'liq. Masalan, sekin burilishlarni amalga oshiradigan transport samolyoti uchun 1 Gts tarmoqli kengligi yoki 1 s integratsiya vaqti maqbul bo'lishi mumkin, boshqa dasturda tez tebranish platformasi 100 Gts tarmoqli kengligi yoki 0,01 s integratsiya vaqtini talab qilishi mumkin. O'lchov omili xatosining ahamiyati yana dasturga bog'liq. Agar ilova juda sekin burilishlarga ega bo'lsa, o'lchov omiliga bo'lgan talab tez burilishli ilovaga qaraganda ancha yumshoqroq bo'lishi mumkin, boshqa narsalar teng. Odatda, bu xatolar ideal bo'lmagan chiziqlilik va histerezisga olib keladi.

Boshqa omillar ham foydalanuvchilar uchun muhim ahamiyatga ega bo'lishi mumkin. Bularga spektral shovqin xususiyatlari kiradi. Ideal holda, aylanish enkoderi har qanday ma'lum chastotada shovqin ko'tarilmasligi kerak. Bu nazorat tizimlarini ishlab chiqishda ayniqsa muhimdir. Ko'pgina mexanik aylanish sensorlari mavjud yuqori daraja xarakterli chastotalarda shovqin, ularning tufayli mexanik harakat. Dinamik diapazon - o'lchash mumkin bo'lgan maksimal va minimal tezliklar orasidagi farq. Ko'pgina reyslarda yoqish vaqti juda muhim, bu aylanish sensori yoqilgunga qadar tugashi mumkin. Bu muammo ko'pincha mexanik giroskoplar bilan bog'liq holda paydo bo'ladi, ular "aylanish" uchun biroz vaqt talab etadi. Ushbu barcha parametrlarning talab qilinadigan qiymatlari tizim foydalanuvchisi tomonidan belgilanadi, u muayyan ilovalar uchun qaysi parametr qiymatlari talab qilinishini hal qiladi. Uchta asosiy xususiyat - narx, o'lcham va xizmat muddati. Uchalasi ham ma'lum bir dasturni amalga oshirish mumkinligini aniqlaydi. Xizmat muddati ko'pincha qurilma oddiygina saqlangan va ishlamay qolganda, shuningdek xizmat muddati sifatida aniqlanadi.

Hozirda yo'l-yo'riq va boshqaruv tizimlari uchun ishlab chiqilgan barcha optik aylanish sensorlari aylanish tezligini o'lchash uchun ishlatiladigan Sagnac effektiga asoslangan. Agar halqa tezlik bilan aylansa O soat yo'nalishi bo'yicha va yorug'likning halqa bo'ylab o'tishi uchun vaqt oralig'i ?t = L/c sifatida aniqlanadi, bu erda L - halqaning aylanasi va c - vakuumdagi yorug'lik tezligi, keyin soat yo'nalishi bo'yicha tarqaladigan nur yorug'lik bo'ylab harakat qiladi. uzunligi 2 pR + ?R ?t va soat miliga teskari yo'nalishda tarqaladigan nur yo'lni bosib o'tadi 2p R- O R?t. Yorug'lik nurlarining aylanish tufayli bir-biriga qarab tarqaladigan optik yo'llari o'rtasidagi umumiy farq ga teng 2? RL/c. Sagnac effektiga asoslangan samarali optik aylanish sensorini loyihalash uchun shuni tushunish kerakki, yuqori aniqlikka ega bo'lish uchun nafaqat aylanish tufayli yorug'lik yo'li farqini aniq o'lchash, balki shu bilan birga ta'minlash kerak. bu aylanish o'lchovlarga ta'sir qiladigan yagona tashqi parametrdir. Optik aylanish sensorlarini qurishda uchta asosiy usul qo'llaniladi: (1) optik bo'shliqlar, (2) ochiq tsiklli interferometrlar fikr-mulohaza va (3) yopiq konturli interferometrlar. Keyingi bir necha paragraflarda, umumiy ma'noda Ushbu yondashuvlarning ba'zi xususiyatlari ko'rib chiqiladi.

Optik rezonatorning ishlash printsipi shundan iboratki, rezonansning ish holatiga erishish uchun to'lqin uzunliklarining butun soni optik zanjir uzunligiga mos kelishi kerak. Bu soat yo'nalishi bo'yicha ekanligini bildiradi

Fccw?t=2 pR +?R ?t/ l (6.1)

va soat miliga teskari

Fccw?t=2 pR -?R ?t /l (6.2)

qayerda l yorug'lik nurining to'lqin uzunligi. (6.1) va (6.2) ni qo'shish munosabatga olib keladi

F=Fcw-Fccw=2R /lO (6.3)

Bu tenglama halqali lazerli giroskop va passiv optik halqali rezonatorning xarakteristik tenglamasidir. Chastotani integratsiyalash natijasida chiqish signali integratsiyalashgan giroskop uchun xos bo'lgan aylanish burchagi bo'yicha bantlar soni sifatida olinadi.

Ochiq pastadirli optik tolali interferometrlar uchun yo'l uzunligi farqi ish to'lqin uzunligiga bo'linadi, yorug'likning qarshi tarqaladigan nurlari orasidagi aylanish fazalari farqi tufayli chekkalar sonini aniqlaydi,

Z? =2RL /lc? (6.4)

Ushbu yondashuv cheklangan dinamik diapazon va o'lchov faktorlari aniqligi etarli bo'lgan keng ko'lamli ilovalar uchun qo'llaniladi, masalan, ishora va kuzatish, stabilizatsiya, robototexnika va giroskopasni qurish. Cheklangan dinamik diapazon tarmoqdan o'tayotganda sezuvchanlikning yo'qolishi bilan bog'liq. Dinamik diapazon va o'lchov omili xususiyatlarini yaxshilash uchun ochiq konturli optik tolali giroskoplarning chiqish signalini qayta ishlashga asoslangan bir necha usullar ishlab chiqilgan.

Optik tolali interferometrik aylanish datchiklari fazani nol qilish texnikasidan foydalangan holda integratsiyalashgan giroskopnikiga o'xshash ishlash ko'rsatkichlari bilan ishlab chiqilishi mumkin. Bunday holda, aylanish natijasida hosil bo'lgan faza almashinuvi mos keladigan sun'iy ravishda kiritilgan muvozanat fazasining siljishi bilan bekor qilinadi. Bunga erishishning usullaridan biri chastotali fazali siljishdan foydalanishdir. Bunday holda, nurlardan biri, masalan, soat yo'nalishi bo'yicha tarqalib, tolali halqaga kirishdan oldin chastotada siljiydi, ikkinchisi esa tolali halqadan chiqqandan keyin chastotada siljiydi. Chastota farqi F tufayli hosil bo'lgan tarmoqli siljishi

ZF=FLn/c (6,5)

bu erda n - tolaning sindirish ko'rsatkichi. Agar aylanish bilan boshqariladigan fazali siljish chastotali o'zgarishlarga o'rnatilgan bo'lsa, u holda qurilmaning chiqishi

Z=2R/Ln? (6.6)

7. Optik tolali datchiklarni qo'llash

Sanoat ilovalari nuqtai nazaridan, optik tolali sensorlardan foydalanish jozibador, chunki ular mukammal sezgirlik va keng dinamik diapazonga ega, ixcham va zich qadoqlash imkonini beradi va kelajakda past narx va yuqori ishonchlilikka ega. Dastlab, bu sensorlar yuqori harorat, korroziy moddalar, yuqori darajadagi elektromagnit parazit yoki portlash tahdidi, an'anaviy sensorlar va sezgir elementlar to'g'ri ishlay olmaydigan agressiv muhitda ishlatilgan. Yuqori haroratni o'lchash ilovalari yaxshi misol bo'lib, o'tga chidamli shisha tolali datchiklar elektron kuchlanish o'lchagichlar yoki simli ulanishlar yuqori haroratga bardosh bera olmaydigan sig'imli sensorlarga nisbatan afzalliklarga ega. Ikkinchi misol - sensorlar va elektron ishlov berish birliklari o'rtasida uzun kabellarni yotqizish qobiliyati. Minglab fut uzunlikdagi liniyalarni yotqizishda optik tolali kabellar narxi koaksiyal va hatto ikki simli kabellar bilan solishtirish mumkin bo'ldi. Optik tola dielektrik muhit bo'lganligi sababli, u nurlanmaydi va elektromagnit parazit (EMI) ta'siridan (hech bo'lmaganda birinchi taxminga qadar) ta'sirlanmaydi. Shovqin muammosi qanchalik keskin bo'lsa, tolalar shunchalik jozibali bo'ladi. Elyaflar hech qanday ekranlash yoki maxsus topraklama talab qilmaydi va ularga yaqin joyda ishlashi mumkin yuqori kuchlanish liniyalari. Optik signallarni modulyatsiya qilish/demodulyatsiya qilish uchun zarur bo'lgan elektron modullar yuqori darajadagi elektromagnit parazitga ega bo'lgan muhitda maxsus filtrlarni talab qilmaydi.

7.1 Haroratni o'lchash

Sanoat muhitida haroratni o'lchash uchun optik tolalarga asoslangan ko'plab usullar ishlab chiqilgan va ba'zi sensorlar tijoratda mavjud. "Westinghouse" (Westinghouse) kompaniyasi vakillari taqsimlangan haroratni o'lchashni namoyish qilishdi. yadro reaktorlari va issiq nuqtada joylashgan optik tola tomonidan chiqarilgan qora jismning emissiya spektrini tahlil qilish orqali dvigatel chiqindi gazining harorati o'lchandi. E'tibor bering, harorat oshishi bilan ma'lum to'lqin uzunligidagi nurlanish ham ortadi. Ushbu usul Accuiber Inc tomonidan amalga oshiriladi. Dils ishiga asoslangan va chiqindi gaz haroratini o'lchash uchun sensorlar savdoda mavjud reaktiv dvigatellar 1900 ° S gacha. 300 °C gacha bo'lgan yuqori aniqlikdagi harorat o'lchovlari ishlaydigan reaktorlarda ham amalga oshirilishi mumkin.

Shakl -10 Accufiberning Sapphire Blackbody Sensor va Optik Analizator sxemasi

Accuiber sensori nozik sapfir novdasini o'z ichiga oladi (10-rasmga qarang). Rodning o'lchash uchi o'tga chidamli metall bilan qoplangan.

Rodning boshqa uchi yuqori haroratni o'lchash zonasidan tashqarida past haroratli optik tolaga ulangan. Qizil-issiqdan yorqin energiya metall qoplama safir novda va past haroratli optik tola bo'ylab tahlil va ko'rsatish blokiga o'tkaziladi. Tolaning metall bilan qoplangan uchi qora tanli bo'lib, uning emissiya spektri Plank radiatsiya qonuniga muvofiq haroratga bog'liq.

Past haroratli toladan chiqadigan nurlanish spektrining tor diapazonini tahlil qilish optik interferentsiya filtri va nurlanish energiyasini elektr energiyasiga aylantiruvchi fotodetektor yordamida amalga oshiriladi.

400 °C dan past haroratlarda masofaviy haroratni o'lchash bir nechta kompaniyalar tomonidan sotiladigan qurilmalarda qo'llaniladigan spektral selektiv usullar yordamida amalga oshirilishi mumkin. Bunday usullar qora tanli nurlanishdagi o'zgarishlarga sezgir emas, balki ba'zi maxsus moddalarning floresans yoki yutilish spektrlarida harorat ta'siridagi o'zgarishlarni aniqlaydi.

Hozirgi Luxtron tizimida o'lchov zonasidagi optik tolaning uchiga porlab turgan fosfor qo'yiladi (11-rasmga qarang). Optik qo'zg'alish impulslari fosforning porlashiga olib keladi va yorug'likning so'nish vaqti haroratga bog'liq. t vaqti o'lchanadi, bu vaqt ichida lyuminestsent signal S\ boshlang'ich qiymatiga nisbatan e koeffitsientiga tushadi. Harorat haroratga nisbatan t yemirilish vaqtining kalibrlash egri chizig'idan olinadi. MetriCor'ning boshqa ikki to'lqinli uzunlikdagi haroratni o'lchash tizimi haroratga qarab yarimo'tkazgich materialidagi yutilish zonasining chetiga siljishini kuzatadi.

Rasm - 11 Optik tolali harorat sensori sifatida Luxtronning fosfor bilan qoplangan tolali uchining sxemasi

.2 Bosim o'lchash

Sanoat muhitida bosimni o'lchash uchun bir nechta intensivlikka asoslangan optik tolali sensorlar ishlab chiqilgan. Bunday sensorlar qozonlarda, kimyoviy reaktorlarda, dvigatellarda va inson tanasida bosimni kuzatish uchun ishlatilishi mumkin. Heise yuqori aniqlikdagi bosim sezuvchi elementni ishlab chiqaradi, unda membrana uzatuvchi va qabul qiluvchi tolalar o'rtasida joylashgan transmissiv difraksion panjara bilan bog'langan. Litton va Metricor konvertorlari tolali ulagichlar va tolalarning o'zida ikki to'lqinli va ko'p to'lqinli yo'qotishlarni tuzatishni ta'minlaydi.

Optik tolali bosim sensorlari jadal ishlab chiqilmoqda. Xususan, AQSh dengiz kuchlarining optik tolali sensor tizimlari dasturi doirasida akustik ilovalar uchun mo‘ljallangan sensorlar ishlab chiqilmoqda. Bosim o'zgarishining o'zgaruvchilarini o'lchash uchun tashqi sezgir elementga ega bo'lgan sensorlar va "sof tolali" sensorlar, intensivlik sensorlari va interferometrik turdagi sensorlar ishlatiladi.

O'lchash uchun statik bosim qo'llaniladigan bosim ta'sirida cho'kib ketgan nozik membranadan aks ettirilgan nurlanish intensivligining kattaligini o'lchash mumkin. Bunday bosim o'tkazgichning kalibrlash egri chizig'i 12-rasmda ko'rsatilgan. ORTESN tomonidan ishlab chiqilgan bunday o'tkazgich optik tolali aks ettiruvchi sezgir elementni o'z ichiga oladi.

Agar 12-rasmdagi qo'shimchada ko'rsatilganidek, bo'lingan to'plam qo'llanilsa, u holda tolalarning yarmi nurlanishni tolaga o'tkazish uchun, qolgan yarmi esa nurlanishni fotodetektorga o'tkazish uchun ishlatilishi mumkin. Kirish tolalaridan chiqadigan yorug'lik dog'lar qatorini hosil qiladi, ularning diametri to'plamning oxiridan masofaning ortishi bilan tolaning raqamli teshigiga mutanosib ravishda ortadi. Membranada aks etgandan keyin chiqadigan tolalarga kiradigan nurlanish miqdori qo'llaniladigan bosimga bog'liq, chunki membranadan to'plamning oxirigacha bo'lgan masofa bosimga qarab o'zgaradi.

Yuqori haroratlarda statik bosimni o'lchash uchun optik tolali sensorlar ishlab chiqilgan. Ular yuqori samarali samolyot dvigatellarida gaz yo'llaridagi bosimni o'lchash va ko'mirni suyultirish zavodlarida texnologik bosimni kuzatish uchun ishlatilishi mumkin.

0 20 40 60 80 100

Shakl -12. O'lchangan va qo'llaniladigan bosim o'rtasidagi bog'liqlik uchun kalibrlash egri chizig'i ichki qismda ko'rsatilgan, optik tolali reflektor sensori elementini o'z ichiga oladi.

An'anaviy bosim datchiklarida qo'llaniladigan metall membranalar yuqori haroratlarda deformatsiyalana boshlaydi va deformatsiya o'lchagichlar yoki sig'imli deformatsiyalar o'z faoliyatini to'xtatadi. Bundan tashqari, ko'mirni suyultirish jarayonida ishlatiladigan atala juda kostikdir. Yuqori quvvatli Inconel qotishmasi deformatsiya va korroziya muammolarini oldini olish uchun membrana materiali sifatida ishlatiladi; va qo'llaniladigan bosim ostida membrana og'ishini o'lchash uchun mikrob?kmeli optik tolali sensor ishlatiladi. Ushbu sensor 425 ° C gacha bo'lgan haroratlarda bosimni o'lchash qobiliyatiga ega ekanligi ko'rsatildi, shu bilan birga u o'lchov aniqligining 1% dan oshmaydigan takroriyligini ko'rsatadi.

7.3 Suyuqlik darajasini o'lchash

Optik tolali sensorlar yordamida suyuqlik darajasini o'lchash uchun ko'plab yondashuvlar namoyish etilgan. Bir yondashuv yorug'likni prizmaga o'tkazish uchun tolalardan foydalanadi. Prizmaning to'g'ri tanlangan burchagi bilan yorug'likning to'liq ichki aks etishi prizma havoda bo'lganda sodir bo'ladi. Agar prizma suyuqlikka botirilsa, yorug'lik suyuqlikda sinadi. Shunday qilib, bu qurilma suyuqlik darajasiga qarab yorug'lik kaliti vazifasini bajaradi. Shunga o'xshash sensorlar EoTec va Tedeco'dan sotiladi. Maxsus mo'ljallangan prizmalar bilan bu yondashuv yoqish-o'chirish paytida signal-shovqin nisbatining yuqori darajasini va prizmaning tashqi tomonlarida cho'kindilarning to'planishiga befarqlikni ta'minlaydi. Suyuqlik darajasi, shuningdek, joy almashish yoki siljish o'lchovlari orqali doimiy usullar bilan o'lchanadi. Suyuqlik darajasi sensorlari yonilg'i baklarida va neft-kimyo saqlash tanklarida qochqinlarni aniqlash uchun ishlatiladi. Bunda daraja o'zgarganda ikkita sobit tolalar massivlari orasidagi kod niqobi siljishi yoki sath boshqa yoki bir nechta sobit tolalarga nisbatan o'zgarganda tolalardan biri siljishi yondashuvlaridan foydalaniladi.

Xulosa

Ushbu kurs ishining asosiy natijalari:

Optik tolali sensorlar texnologiyalari bo'yicha adabiyotlar to'plami tayyorlandi.

Optik tolali datchiklarning konstruksiyalari va ishlash tamoyillari va ularning strukturaviy elementlari tasvirlangan.

Optik tolali sensorlarning tasnifi amalga oshiriladi.

Foydalanilgan manbalar ro'yxati

1. Optik tolali sensorlar / ed. E. Udda. - Texnosfera, 2008. - 520-yillar.

Okosi T. Optik tolali sensorlar / T. Okosi per. yapon tilidan. - Leningrad: Energoatomizdat, 1990. - 256s.

Busurin V. I. Optik tolali sensorlar: fizik asoslar, hisoblash va qo'llash masalalari / V. I. Busurin Yu. R. Nosov. - Leningrad: Energoatomizdat, 1990. - 256s.

Kolomiets LN Axborot o'lchash tizimlarida optik tolali sensorlar / LN Kolomiets // Sensorlar va tizimlar. -2006 yil. - No 1. - B.8-14.

Optik tolali sensorlar va axborot o'lchash tizimlari / V. B. Garmash, F. A. Egorov, L. N. Kolomiets, A. P. Neugodnikov, V. I. Pospelov // Sb. MNTK Sensorlari va tizimlari hisobotlari 2005. - Penza. - 6-10 iyun. - 2005. - S.19-39.

Avtomatlashtirilgan liniyaning konveyerida qismning mavjudligini aniqlash, yorug'lik moslamasining ishlashi haqida ma'lumot olish, ixcham, ammo samarali dastgohni boshqarish.texnologik jarayonlar sifatsizligiga toqat qilmaydi. Bu erda sensorlar yordam beradi.

Datchiklarning ko'p turlari mavjud: magnit, induktiv, fotoelektrik, sig'imli - ularning har biri o'zining afzalliklari va kamchiliklariga ega. Fotovoltaik - eng ko'p qirrali biri. Bu erda va lazer va infraqizil, va bitta nurli va aks ettiruvchi. Lekin biz ko'rib chiqamiz optik tolali sensorlar, chunki ular konfiguratsiya uchun eng keng imkoniyatlarga ega va hatto eng kirish qiyin bo'lgan joylar uchun ham mukammaldir.

Optik tolali sensor bir juft qurilmalarga bo'linadi: tolali fotoelektrik kuchaytirgich va optik boshli optik tolali kabel. Kabel kuchaytirgichdan yorug'likni uzatadi.

Bu erda printsip oddiy. Emitent va qabul qilgich birgalikda ishlaydi: qabul qiluvchi emitent tomonidan chiqarilgan yorug'lik to'lqinini aniqlaydi. Texnologik jihatdan bu jarayon turli yo'llar bilan amalga oshiriladi: yorug'lik to'lqinining burchagini kuzatish, yorug'lik miqdorini o'lchash yoki ob'ektga masofani o'lchash uchun yorug'lik to'lqinining qaytish vaqtini o'lchash.

Optik manba va qabul qilgich oddiygina boshda joylashgan bo'lishi mumkin (diffuz yoki aks ettiruvchi birliklar) yoki ularni alohida-alohida qilish mumkin - ikkita bosh (bir nurli birliklar). Optik tolali sensorning boshi ichida elektronikani o'z ichiga oladi, qabul qilgich esa optik tolali orqali elektronikaga aniq ulangan. Qabul qilingan va chiqarilgan to'lqinlar optik tolali tarmoqlarda yuqori tezlikdagi ma'lumotlarni uzatishga o'xshash tarzda tola orqali o'tadi.

Ushbu ajratishning afzalligi shundaki, qabul qiluvchi o'lchangan ob'ektga o'rnatiladi. Optik tolali kabel yotqizilgan va kuchaytirgichga ulangan, u kuchaytirgichni ishlab chiqarish zavodining tashqi, ko'pincha qattiq muhitdan himoya qiladigan maxsus boshqaruv kabinasida joylashgan. Variantlarni tanlash har xil. Kuchaytirgichlar oddiy va murakkab, xususan - ko'p funktsiyali, mantiqiy va kommutatsiya operatsiyalarini bajarish qobiliyatiga ega.

Asosiy optik tolali sensorli kuchaytirgichlar minimal elektron komponentlarga ega va funksionallik, va eng murakkablari "plug and play" tamoyili bilan ajralib turadi, ulardagi elektronika butunlay individual tarzda tuzilgan. Ba'zi sensorli elektronika 10 dan ortiq tolali kirishlarni qayta ishlashga qodir. Albatta, ko'rsatma ham bor. Ko'rsatkichlar sensorning to'g'ri ishlayotganligini ko'rsatadi. Bundan tashqari, boshqa funktsiyalar ham mavjud.

Tekshirish moslamasining interfeysi chiqish formati bilan belgilanadi. Bu erda sensorni sozlash va kuchaytirgichni qayta o'rnatish mavjud. Chiqishlar odatda ochiq, odatda yopiq, kollektor, emitent, push-pull. Ulanishlar ko'p pinli ulagichga ega simi yordamida amalga oshiriladi. Dasturlash tugmalar yoki oddiygina potansiyometr yordamida amalga oshiriladi.

Kuchaytirgich parametrlarini individual talablarga muvofiq tafsilotlash va sozlashda ko'proq erkinlik uchun yoqish/o'chirish kechikishi, zarba chiqishlari va intervalgacha signalni istisno qilish kabi sensor variantlari qo'shimcha moslashuvchanlikni ta'minlaydi. ishlab chiqarish jarayoni. Kechikishlar ishchi organning reaktsiyasini sekinlashtirishga imkon beradi, intervalgacha signallar - ish sharoitlari buzilganligining belgisi bo'lib xizmat qiladi. Hammasi individual ravishda sozlangan.

Chiqish holatining LED ko'rsatkichi yoki signallar va chiqish holatlari haqida ma'lumotga ega displeyning mavjudligi - bu sensorni joyida tashxislash va dasturlash imkonini beruvchi ilg'or variantlardir.

O'zgaruvchan muhitda barqarorroq o'lchovlar uchun namuna olish tezligi va signalni filtrlash yuqori bo'lgan sensor mos keladi. Blok, garchi u hali ham past chastotada ishlasa ham, foydali bo'ladi. Yoqish/o'chirish kechikishlari chiqish va kirish signallarini moslashtirishga yordam beradi.

Yordamchi bloklardan foydalanish dasturlash imkoniyatlarini kengaytiradi, masalan, shisha kabi maxsus materiallar bilan ishlaganda o'lchash elementining sezgirligini sozlashingiz yoki kommutatsiya nuqtalari o'rtasida o'chirish / yoqishni dasturlashingiz mumkin: qismning holatini kuzatish va uning kosmosdagi joylashuvi.

Optik tolali kabellarning go'zalligi shundaki, ular oqim o'rniga yorug'lik o'tkazadi. Turli xil materiallardan konfiguratsiyalar, boshlarning turli darajadagi sezgirligi bilan mumkin.

Diffuz optik tolali kabel bir juft qoplamadan iborat bo'lib, ulardan biri kuchaytirgichga, ikkinchisi - sezgir boshga o'tadi. Shu bilan birga, sezgir boshga ikkita kabel ulanadi - biri yorug'lik manbai, ikkinchisi elektronika uchun.

Bitta nurli optik tolali kabelda bir xil kabellar mavjud bo'lib, ularning har biri kuchaytirgichga ulangan va o'zining optik boshiga ega. Bir kabel yorug'likni uzatish uchun, ikkinchisi - qabul qilish uchun ishlatiladi.

Elyafning o'zi odatda shisha yoki plastmassadan iborat. Plastik - yupqaroq, arzonroq, moslashuvchan. Shisha kuchliroq va yuqori haroratlarda ishlay oladi. Plastmassa kerakli uzunlikka kesilishi mumkin, shisha esa faqat ishlab chiqarish bosqichida kesiladi. Elyaf ko'ylagi - ekstruded plastmassadan zanglamaydigan po'latdan ortiqcha oro bermaygacha, og'ir muhitlar uchun.

Optik tolali sensorni tanlashda eng muhim narsa to'g'ri optik boshni tanlashdir. Axir, kichik, qattiq yoki harakatlanuvchi qismlarni aniqlashning aniqligi boshning sezgirligi bilan bog'liq. Qabul qiluvchi va emitent ob'ektga nisbatan qaysi burchakda joylashadi, ruxsat etilgan dispersiya qanday. Dumaloq tolali to'plam dumaloq nurni olish uchun kerakmi yoki gorizontal proektsiyani olish uchun kengaytirilgan.

Dumaloq nurlarga kelsak, diffuz boshda ular bir yarmida barcha manba tolalari bilan, ikkinchisida esa qabul qiluvchi tolalar bilan teng ravishda tarvaqaylab ketishi mumkin. Ushbu dizayn keng tarqalgan, ammo u bifurkatsiya chizig'iga to'g'ri burchak ostida harakatlanadigan qismdan ma'lumotni o'qishda kechikishga olib kelishi mumkin.

Variant bilan yagona taqsimlash manba va qabul qiluvchi tolalar ko'proq bir xil nurlar beradi. Yagona nurlar to'lqinlarni yuborish va qabul qilish effektlarini tenglashtirishga imkon beradi va aniqlash ob'ektning harakat yo'nalishidan mustaqil bo'lib chiqadi.

Optik bosh turi, kabel uzunligi va kuchaytirgich optikaning sezgir masofasiga sezilarli ta'sir ko'rsatadi. Aniq taxmin qilish qiyin, ammo ishlab chiqaruvchilar bu ma'lumotlarni ko'rsatadilar. Bir nurli datchik diffuzdan ko'ra kattaroq diapazonga ega. Uzunroq tola - qisqaroq diapazon. Yana mukammal kuchaytirgich - kuchliroq signal, ko'proq diapazon.

Borgan sari qo'llanilmoqda sanoatni avtomatlashtirish taqsimlangan kiritish-chiqarish va bir nechta ulanishi mumkin optik tolali kabellar sensorlar bitta kollektorga.

Optik tolali kuchaytirgichlar ko'pincha mustaqil bir kanalli DIN-relsli qurilmalar bo'lib, ularni panelga o'rnatish oson va yagona kamchilik - alohida kuchaytirgichlardan ulanishlarni yo'naltirish.

Kollektor bitta boshqaruv markazida bir nechta tolali kanallarni guruhlashi mumkin: kollektorlar menyu displeylari bilan jihozlangan va har bir kanal alohida dasturlashtirilgan. Konfiguratsiya qilingan kanallar VA/YOKI mantiq orqali ishlatilishi mumkin, bu esa PLC boshqaruvini sezilarli darajada osonlashtiradi.

Optik tolalardan foydalanish kuchli elektr shovqini sharoitida ishlaydigan tizimlarda yaxshi namoyon bo'ladi. Optik tola elektr shovqinini sezmaydi va elektron kuchaytirgich shkaf bilan himoyalangan. Qurilmalarni yig'ish paytida konveyerlardagi qismlarni avtomatlashtirilgan aniqlash bilan kichik yig'ish liniyalari optik tolali sensorlardan foydalanishning yana bir istiqbolli va allaqachon keng tarqalgan yo'nalishi hisoblanadi.

Sensorning o'lchamidan qat'i nazar, to'g'ri darajadagi fokus aniqligini ta'minlash uchun turli yo'nalishlarga ega bo'lgan boshlar, turli o'lchamlar, turli dispersiya - bularning barchasi boshqaruv mantig'i bilan birgalikda imkoniyatlar uchun katta imkoniyatlarni ochadi. Misol uchun, bitta sensor yig'ilish boshida qismning mavjudligini aniqlaydi, ikkinchisi esa yig'ilishning tugashini tasdiqlaydi.

Bundan tashqari, dasturdan qat'i nazar, talab qilinadigan iste'molchi dasturiga mos keladigan parametrlarga ega sensor va boshni tanlash muhimdir: dispersiya, masofa, namuna olish, sozlash va dasturlash bo'yicha variantlar.

Yagona, ehtimol, minus shundaki, tolalarni haddan tashqari egib bo'lmaydi. Bir oz ko'proq egilishga arziydi va tolalarning tuzatib bo'lmaydigan plastik deformatsiyasi paydo bo'ladi, o'tkazuvchanlik kamayadi yoki umuman yo'qoladi. Ruxsat etilgan egilish radiusi to'plamdagi tolalar turiga, hajmiga va dispersiyasiga bog'liq. Ilovangiz uchun sensorni tanlashda ushbu xususiyatlarni hisobga olish kerak.

Optik tolali sensorlar laboratoriya va sanoat ob'ektlarining ko'plab xususiyatlarini, xususan, haroratni o'lchash imkonini beradi. Ulardan foydalanish juda mashaqqatli bo'lishiga qaramay, u bir qator afzalliklarni beradi, bunday sensorlardan amalda foydalanish: elektromagnit induksiya); datchiklarning kichik o'lchamlari, elastikligi, mexanik mustahkamligi, yuqori korroziyaga chidamliligi va boshqalar.

Raman effekti deb ataladigan narsa, ayniqsa, kvarts shishasidan tayyorlangan optik tolalar yordamida haroratni o'lchash uchun javob beradi. Shisha toladagi yorug'lik zichlikdagi mikroskopik kichik dalgalanmalar bilan tarqaladi, ularning o'lchamlari to'lqin uzunligidan kichikroqdir. Orqaga tarqalishda bir xil to'lqin uzunligidagi elastik tarqalish fraktsiyasi (nurlangan sochilish) bilan birga o'tadigan yorug'likni ham, yorug'likni ham topish mumkin. qo'shimcha komponentlar molekulalarning tebranishi va shu tariqa mahalliy harorat bilan bog'liq bo'lgan boshqa to'lqin uzunliklarida (Ramanning tarqalishi).

Optik tolali sensorlar

Optik tolali sensorlar (ko'pincha optik tolali sensorlar deb ham ataladi) ma'lum miqdorlarni, odatda harorat yoki mexanik kuchlanishni aniqlash uchun optik tolali qurilmalardir, lekin ba'zida siljish, tebranish, bosim, tezlanish, aylanish (Sagnac effektiga asoslangan optik giroskoplar yordamida o'lchanadi) ) va kimyoviy konsentratsiyalar. Umumiy tamoyil Bunday qurilmalar lazer (ko'pincha bitta rejimli tolali lazer) yoki superlyuminestsent optik manbadan olingan yorug'likdagi optik tola orqali uzatiladi, tolada yoki bir yoki bir nechta Bragg panjaralarida uning parametrlarida ozgina o'zgarishlar yuz beradi va keyin bu o'zgarishlarni baholovchi aniqlash davriga etadi.

Boshqa turdagi sensorlar bilan taqqoslaganda, optik tolali sensorlar quyidagi afzalliklarga ega:

• · Ular elektr o'tkazmaydigan materiallardan iborat (elektr kabellari talab qilinmaydi), bu ularni, masalan, bo'lgan joylarda ishlatishga imkon beradi. yuqori kuchlanish.
• · Ular portlovchi muhitda xavfsiz ishlatilishi mumkin, chunki hatto buzilish holatlarida ham elektr uchqunlari paydo bo'lishi xavfi yo'q.
• · Ular hatto chaqmoq chaqishi yaqinida ham elektromagnit parazitlardan (EMI) ta'sirlanmaydi va boshqa qurilmalarni o'z-o'zidan elektrlashtirmaydi.
• Ularning materiallari kimyoviy jihatdan inert bo'lishi mumkin, ya'ni ifloslantirmaydi muhit va korroziyaga duchor bo'lmaydi.
• · Ular juda keng ish harorati oralig'iga ega (elektron qurilmalardan ancha ko'p).
• · Ularda multiplekslash imkoniyati mavjud; bitta tolali aloqadagi bir nechta sensorlar bitta optik manba bilan birlashtirilishi mumkin (pastga qarang).

Bragg panjaralari asosidagi datchiklar

Optik tolali sensorlar ko'pincha tolali Bragg panjaralariga asoslanadi. Ko'pgina optik tolali sensorlarning asosiy printsipi shundan iboratki, panjaradagi Bragg to'lqin uzunligi (ya'ni maksimal aks ettirishning to'lqin uzunligi) nafaqat Bragg panjarasining davriga, balki harorat va mexanik stressga ham bog'liq. Kvars tolalari uchun Bragg to'lqin uzunligining birlik deformatsiyasida o'zgarishi cho'zilishdan taxminan 20% kamroqdir, chunki sinish ko'rsatkichining pasayishiga deformatsiyaning ta'siri mavjud. Harorat effektlari faqat termal kengayish uchun kutilganlarga yaqin. Har xil foydalanishda harorat va deformatsiya effektlari farq qilishi mumkin texnik vositalar(masalan, deformatsiyaga uchramaydigan mos yozuvlar panjarasidan foydalanganda yoki har xil turdagi tolali panjaralardan foydalanganda) ikkala qiymat bir vaqtning o'zida qayd etiladi. Faqat deformatsiyani qayd qilish uchun aniqlik bir xil kichiklik tartibida bo'lsa, ruxsat bir necha mk (ya'ni uzunlik tartibidagi nisbiy o'zgarish) ga etadi. Dinamik o'lchovlar (masalan, akustik hodisalar) uchun 1 Gts tarmoqli kengligi uchun 1 meu dan yuqori sezgirlikka erishiladi.

Tarqalgan sezish

Boshqa optik tolali sensorlar datchik sifatida tolali Bragg panjaralarini ishlatmaydi, tolaning o'zidan datchik sifatida foydalanadi. Ulardagi tovush printsipi Rayleigh tarqalishi, Raman sochilishi yoki Brillouin tarqalishining ta'siriga asoslangan. Masalan, impulsli zondlash signali yordamida zaif aks ettirilgan maydonning holatini aniqlash mumkin bo'lgan optik vaqt domenining reflektometriyasi usuli. Bu usul Brilouen chastotasining siljishiga qarab harorat yoki kuchlanish kabi boshqa miqdorlarni aniqlash uchun ham ishlatiladi.

Ba'zi hollarda o'lchangan qiymat tolaning butun uzunligi bo'yicha o'rtacha qiymatdir. Bu usul ba'zi harorat sensorlari uchun, shuningdek, giroskop sifatida ishlatiladigan Sagnac effektiga asoslangan interferometrlar uchun odatiy hisoblanadi. Boshqa hollarda, pozitsiyaga bog'liq miqdorlar (masalan, harorat yoki kuchlanish) o'lchanadi. Bu taqsimlangan sezish deyiladi.

Kvazi-tarqatilgan sezish

Ba'zi tolalar harorat va tola bo'ylab kuchlanish taqsimotini kuzatish uchun bir qator sensorli massivlarni (yuqoriga qarang) o'z ichiga olishi mumkin. Bu kvazi taqsimlangan sezish deb ataladi. Faqat bitta panjaraga murojaat qilish uchun turli xil texnik echimlar mavjud (va shuning uchun tolalar bo'ylab joylashuvni aniq aniqlash)

To'liq to'lqin uzunligi bo'linishi multipleksatsiyasi (WDM) yoki optik chastotali domen refleksometriyasi (OFDR) deb ataladigan bir usulda panjaralar bir oz boshqacha Bragg to'lqin uzunligiga ega. Integratsiya birligidagi sozlanishi lazerning to'lqin uzunligi ma'lum bir panjara turiga tegishli to'lqin uzunligiga sozlanishi mumkin va maksimal aks ettirish to'lqin uzunligi deformatsiyaning ta'sirini yoki, masalan, haroratni ko'rsatadi. Bundan tashqari, keng polosali yorug'lik manbalari (masalan, superlyuminestsent manbalar) to'lqin uzunligini skanerlovchi fotodetektor bilan (masalan, Fabry-Perot tolali rezonatori asosida) yoki CCD spektrometriga asoslangan holda ishlatilishi mumkin. Har qanday holatda, panjaralarning maksimal soni, qoida tariqasida, 10-50 dan oshmaydi, bu yorug'lik manbasining o'tkazuvchanligini sozlash diapazoni va tolali panjaralarda kerakli to'lqin uzunligi farqi bilan chegaralanadi.

Vaqtga bo'linish multipleksatsiyasi (TDM) deb ataladigan boshqa usul qisqa yorug'lik impulslari yuboriladigan bir xil, kam aks ettiruvchi panjaralardan foydalanadi. Turli panjaralardan aks ettirish ularning kelish vaqti orqali qayd etiladi. Vaqt bo'limi bo'limi (TDM) ko'pincha turli kanallar sonini yuzlab yoki hatto minglab marta ko'paytirish uchun to'lqin uzunligi bo'linmasi (WDM) bilan birgalikda ishlatiladi.

Boshqa yondashuvlar

Yuqorida tavsiflangan yondashuvlarga qo'shimcha ravishda, ko'plab usullar mavjud muqobil usullar. Mana ulardan ba'zilari:

• · Fiber Bragg panjaralari interferentsion optik tolalarda ishlatilishi mumkin, bu erda ular faqat reflektor sifatida ishlatiladi va ular orasidagi masofaga qarab faza siljishini o'lchaydi.
• · Lazer Bragg datchiklari mavjud bo'lib, bu erda panjara sensori lazer tolali optik bo'shlig'ining oxirgi ko'zgusida joylashgan bo'lib, tolalar orqali 980 nm to'lqin uzunligida nasos nurini idrok etuvchi erbiy qo'shilgan tolaga asoslangan. Masalan, harorat yoki mexanik stressga bog'liq bo'lgan Bragg to'lqin uzunligi avlod to'lqin uzunligini aniqlaydi. Keyingi rivojlanish uchun ko'plab variantlarga ega bo'lgan ushbu yondashuv tolali lazerga xos bo'lgan spektral hududning tor tarmoqli kengligi va yuqori sezuvchanligi tufayli yuqori natijalarni va'da qiladi.
• · Ba'zi hollarda Bragg panjaralarining juftlari Fabry-Perot interferometrlari uchun tolalar sifatida ishlatiladi, ular ayniqsa sezgir bo'lishi mumkin. tashqi ta'sirlar. Fabry-Perot interferometri boshqa yo'l bilan, masalan, toladagi o'zgaruvchan havo bo'shlig'i yordamida ham amalga oshirilishi mumkin.
• · Uzoq muddatli panjaralar bir vaqtning o'zida bir nechta parametrlarni (masalan, harorat va stress) sezish yoki muqobil ravishda harorat o'zgarishiga juda past sezgirlik bilan muqobil kuchlanishni aniqlash uchun alohida qiziqish uyg'otadi.

Foydalanish sohalari

Bir necha yillik rivojlanishdan so'ng ham, optik tolali sensorlar hali ham katta tijoriy muvaffaqiyatga erisha olmaydi, chunki ular ma'lum cheklovlarga ega bo'lsa ham, mavjud texnologiyalarni almashtirish qiyin. Ba'zi ilovalarda optik tolali sensorlar qiziqarli imkoniyatlar uchun katta imkoniyatlarga ega texnologiya sifatida tan olinmoqda. Bu, masalan, yuqori kuchlanishli qurilmalarda yoki mikroto'lqinli pechlarda zondlash kabi og'ir sharoitlarda ishlash. Bragg panjara datchiklari, masalan, samolyot qanotlari, shamol turbinalari, ko'priklar, yirik to'g'onlar, neft quduqlari va quvurlar ichidagi sharoitlarni kuzatish uchun ham ishlatilishi mumkin. O'rnatilgan optik tolali datchiklarga ega binolar ba'zan "aqlli tuzilmalar" deb ataladi, ulardagi sensorlar strukturaning turli qismlari ichidagi deformatsiyani kuzatib boradi va bu o'zgarishlar haqida ma'lumot oladi, masalan, eskirish, tebranish va hokazo. Aqlli dizaynlar optik tolali sensorlarni ishlab chiqishning asosiy harakatlantiruvchi kuchi hisoblanadi.

www.rp-photoniks.com internet ensiklopediyasiga ko'ra

Optik sensorlar masofa va joylashuvni nazorat qilish, rang va kontrast belgilarini aniqlash, shuningdek, boshqa texnologik muammolarni hal qilish uchun mo'ljallangan qurilmalardir. Qurilmalar asosan sanoat uskunalarida qo'llaniladi.

Ishlash usuliga ko'ra, optik sensorlar uch turga bo'linadi.

Ob'ektdan aks ettiruvchi qurilmalar o'z harakat hududida joylashgan ob'ektdan chiqadigan yorug'likni chiqarish va qabul qilish qobiliyatiga ega. Ma'lum bir narsa nishondan aks etadi va u sensorga tegsa, tegishli mantiqiy darajani o'rnatadi. Javob zonasining o'lchami ko'p jihatdan qurilmaning turiga, o'lchamiga, rangiga, egriligiga va ob'ektning boshqa parametrlariga bog'liq. Uning dizaynida qabul qiluvchi va emitent bir xil korpusda mavjud.

Retroreflektordan aks ettiruvchi optik sensorlar maxsus reflektordan keladigan yorug'likni qabul qiladi va chiqaradi va nur ob'ekt tomonidan uzilganda, chiqishda mos keladigan signal paydo bo'ladi. Bunday qurilmaning ko'lami sensorni va ob'ektni (tuman, tutun, chang va boshqalar) o'rab turgan muhit holatiga bog'liq. DA bu asbob Emitent va qabul qiluvchi ham xuddi shu korpusda joylashgan.

Uchinchi turga optik sensorlar kiradi, ular alohida qabul qiluvchi va yorug'lik manbasiga ega. Ushbu elementlar bir xil eksa bo'ylab bir-biriga qarama-qarshi o'rnatiladi. Mintaqaga kirgan ob'ekt uning uzilishiga sabab bo'ladi va mantiqiy daraja chiqishda shunga mos ravishda o'zgaradi.

Qurilmalarning yorug'lik elementlari turli xillarda ishlashi mumkin, ular orasida infraqizil yoki ko'rinadigan (lazer) yorug'lik, shuningdek, rang belgilarining boshqa ko'rsatkichlari mavjud.

Dizaynida optik sensor turli diapazonlarda yorug'lik hosil qiluvchi emitentdan, shuningdek, birinchi element tomonidan chiqarilgan signalni ajratib turadigan qabul qiluvchidan iborat. Qurilmaning ikkala komponenti ham bitta, ham turli hollarda joylashgan.

Qurilmalarning ishlashi qamrov zonasida shaffof bo'lmagan ob'ekt paydo bo'lganda optik nurlanishning o'zgarishiga asoslanadi. Qurilma yoqilganda, optik nur chiqariladi, reflektor orqali qabul qilinadi yoki ob'ektdan aks ettiriladi.

Keyin, sensorning chiqishida raqamli yoki boshqa mantiqqa ega bo'lgan ko'rinadi, keyinchalik u aktuator yoki ro'yxatga olish davri tomonidan ishlatiladi.

Optik tolali sensorlar bir necha santimetrdan yuzlab metrgacha bo'lgan turli xil sezgirlik zonasiga ega.

Ob'ektda mustaqil ravishda tetiklanadigan diffuz qurilmalardan foydalanish eng qulaydir. Ko'pincha optik sensorlar sezgirlik va chiqish holatini indekslash sozlamalarini o'zgartirishga imkon beradi, o'z-o'zini sozlash modellari ham ishlab chiqariladi.

Bozorda ko'plab qurilmalar ishlab chiqaruvchilari mavjud. Masalan, AUTONICS tomonidan ishlab chiqarilgan qurilmalar ayniqsa mashhur. Ular katta xilma-xillik, past narx va yuqori ishonchlilik bilan ajralib turadi.