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 sensorlar va ularning strukturaviy elementlarining konstruktsiyalari va ishlash tamoyillari, shuningdek, optik tolali sensorlarning tasnifi tasvirlangan.

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 chiquvchilar 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 bunday sensorlarning an'anaviy bo'lganlarga nisbatan barcha afzalliklari keltirilgan. elektron sensorlar. 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 elektr qurilmalaridan, hududda izolyatsiya qilish imkonini beradi yuqori kuchlanish Supero'tkazuvchilar yo'llarni yo'q qiling va joylashtirilganda har qanday materiallar bilan muvofiqligi ta'minlanadi. Datchiklarning og'irligi va o'lchami xarakteristikalari ular aerokosmik sohalarda qo'llanilganda juda muhim va bu erda ularning xususiyatlari tufayli. engil vazn va hajmi, 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 og'irligini sezilarli darajada oshiradi. Yuqori haroratli muhitda optik tolali sensorlardan foydalanishda ekologik barqarorlik juda muhim va mustahkam struktura ularga haddan tashqari tebranish va zarba yuklariga bardosh berishga imkon beradi. Yuqorida sanab o'tilgan xususiyatlarga siz 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) Engil vazn Kichik o'lchamli elektromagnit parazitlarga qarshi immunitet Yuqori haroratlarda ishlash qobiliyati Keng tarmoqli kengligi Vibratsiya va zarba qarshiligi Yuqori sezuvchanlik Elektr va optik signallarni muhrlash imkoniyati Komponentlarning narxi yirik telekommunikatsiya va optoelektronik savdo bozori bilan belgilanadi.

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 cheklangan miqdordagi mos komponentlarning yuqori narxi tufayli katta darajada sekinlashdi. 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 o'zgarishlarning barchasi tobora ko'proq paydo bo'lishiga olib keladi murakkab tizimlar telekommunikatsiya va optik tolali sensor texnologiyalarining uyg'unligiga asoslangan. 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 uzatishning ikki tomonlama funktsiyasini bajaradi markaziy nuqta boshqaruv. 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 printsip bo'yicha qurish mumkin markazlashtirilgan tizimlar xavfsizlik va yong'indan himoya qilish, favqulodda vaziyatlarda harakatni muvofiqlashtirish.

Ushbu orzularni ro'yobga chiqarish uchun xom ashyoni optik tarkibiy qismlarga aylantirish texnikasi va usullarini takomillashtirish, optik komponentlar- optik tolali sensorlar va optik tolali sensorlar asosida foydali tizimlar yaratish. 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 amplituda, faza, chastota va polarizatsiya modulyatsiyasi kabi turli funktsiyalarni bajaradigan optik tolali tizimlarning asosiy qurilish bloklaridir. 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 elektr quvvatiga bo'lgan talabni sezilarli darajada kamaytiradi 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. Optik tolali sensorlarni amaliy qo'llash yo'lidagi harakat tez sur'atlar bilan amalga oshirildi.

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'lqin uzunliklariga mos keladigan ikkita LED yoki slot filtridan kengroq spektrga ega bitta manbadan foydalanish mumkin. 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-alohida ifodalanadi optik parametr, bu orqali haroratning o'zgarishi interferometrning optik rezonansi bilan bog'liq bo'lishi mumkin: (1) spacer halqasining 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 ishlatiladi turli manbalar radiatsiya. Qoida tariqasida, manbaning spektral kengligi muhim bo'lgan asosiy parametrdir va ma'lum bir o'qish sxemasini tanlash bilan belgilanadi. Yopiq tsiklni o'qish yuqori sifatli interferometrlardan va lazer manbalaridan foydalanishga imkon 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, a kamayishi bilan (bo'shliq torayadi), minima kattaroq b qiymatida paydo bo'ladi. 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. Vaqtning o'rtacha natijasi katta raqam maydonlari bir-birining ustiga qo'yilgan komponentlar, ruxsat etilgan polarizatsiya 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.

Tarqaladigan 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 kuzatuvchiga qaraganida p/4 yo'nalishda qutblanadi optik manba, 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, magnit maydon, harorat, tezlanish va mexanik kuchlanishlarni o'lchashda keng foydalanish istiqbollarini ochadi. 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'pchilik mexanik sensorlar aylanishlar xarakterli chastotalarda yuqori shovqin darajasiga ega, ular 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 tufayli yuzaga keladi mexanik giroskoplar Bu "dam olish" 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.

Hozirgi vaqtda 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 paragraflar ushbu yondashuvlarning ba'zi xususiyatlarini tavsiflaydi.

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 harorat o'lchovlari uchun ilovalar yaxshi misol bu erda o'tga chidamli shisha tolaga asoslangan datchiklar simli ulanishlar yuqori haroratga bardosh bera olmaydigan elektron kuchlanish o'lchagichlar yoki 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. Elektron modullar optik signallarni modulyatsiya qilish/demodulyatsiya qilish uchun zarur bo'lgan elektromagnit shovqin darajasi yuqori 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 (Dils) ning ishiga asoslangan va reaktiv dvigatellarning chiqindi gazining haroratini 1900 ° S gacha o'lchash uchun sensorlar tijoratda mavjud. 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 past haroratga ulangan optik tola yuqori haroratni o'lchash zonasidan tashqarida. 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.

Statik bosimni o'lchash uchun qo'llaniladigan bosim ostida cho'kib ketgan nozik membranadan aks ettirilgan nurlanish intensivligi miqdorini 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: jismoniy asoslar, hisoblash va qo'llash masalalari / VI 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.

Optik tolali sensorlarning rivojlanishi, birinchi navbatda, shisha tolalar va ularning tizim komponentlarini (ulagichlar, yorug'lik manbalari, detektorlar va boshqalar) ishlab chiqarishdagi yutuqlar bilan ta'minlandi va rag'batlantirildi. O'lchangan parametr (masalan, bosim, harorat, daraja va boshqalar) ta'sirida yorug'lik manbasidan (10.37-rasm) optik tolali detektorga kiradigan yorug'lik nuri intensivligi, qutblanishi, fazasi yoki rangi o'zgaradi. detektor va shu bilan ma'lumotni qabul qilishni ta'minlaydi. Sensor ichida yorug'lik irodasining tarqalishi, masalan, aloqa texnologiyasida ishlatiladigan shisha tolalar bo'ylab amalga oshiriladi. Ushbu yangi turdagi sensorlar, birinchi navbatda, agressiv bug'lar yoki portlovchi gaz aralashmalari mavjud bo'lganda, radioaktivlik va kuchli elektromagnit maydonlarda qo'llaniladi. Hozirgi vaqtda ishlatiladigan ko'plab optik tolali sensorlarning uchta xarakterli turi quyida tavsiflanadi.

Guruch. 10.37. Turli parametrlarni (harorat, daraja, bosim va boshqalar) o'lchash uchun optik tolali sensorning diagrammasi.

Guruch. 10.38. Optik tolali darajadagi sensorlarning dizayn versiyalari:

LWL - yorug'lik qo'llanmasi; I - ikkala sensor ham quruq; II - sensor 2 suvga tushirilgan; III - ikkala sensor ham suvga cho'mgan.

Shaklda. 10.38, a ta'minlovchi optik tolali sensorni ko'rsatadi aniq o'lchash darajasi, ya'ni. uning belgilangan qiymatga nisbatan ortiqcha yoki kam baholanishi. LEDning yorug'ligi yorug'lik qo'llanmasi orqali sensorning konusning uchiga yo'naltiriladi va undan aks ettirilib, detektorga tushadi. Datchikning konussimon uchi suyuqlikka botirilganda, sindirish ko'rsatkichlari farqi o'zgaradi va to'liq aks ettirish tufayli ilgari burilib ketgan yorug'lik sensorning konusning uchini tark etadi va endi detektorga etib bormaydi. Natijada yorug'lik intensivligining o'zgarishi oldindan belgilangan darajaga erishilganligi haqida signal bo'lib xizmat qiladi. U shaklidagi darajadagi datchikning ishlash printsipi o'xshash (10.38-rasm, b); g'ilofdan bo'shatilgan yorug'lik uzatuvchi tolaning egilgan qismi suyuqlikka botishi bilan detektor yorug'lik intensivligining o'zgarishini qayd etadi. E'tibor bering, radiatsiyaning kirishi va chiqishi rasmda ko'rsatilganidek, ikki xil tolalar orqali amalga oshirilishi mumkin. 10.38, b. Bunday holda, yorug'lik prizma tomonidan buriladi.

Yoqish-o'chirish darajasini o'lchash uchun, rasmda ko'rsatilgan qurilma. 10.38, G. Bu erda detektordagi intensivlik ikkita sakrashni boshdan kechiradi, ya'ni mos ravishda 1 va 2 datchiklar suvga cho'milganda (10.38-rasmga qarang). d).

Ushbu sxema bir nechta chegara kalitlarini (har birida ikkita o'lchash nuqtasiga ega) bitta tizimga ulash orqali kengaytirilishi mumkin. Natijada, deyarli uzluksiz darajadagi nazoratni ta'minlaydigan 5 ta so'nggi kalit bilan 10 nuqtani kuzatish mumkin.

An'anaviy usullar bilan taqqoslaganda, optik tolali sensorlar bilan haroratni o'lchash ancha mehnat talab qiladi. Biroq, ba'zi ilovalar uchun bu xarajatlar oqlanadi, chunki ma'lum usullar shovqinga duchor bo'ladi. Bular, birinchi navbatda, quyidagi qo'llash sohalarini o'z ichiga oladi:

RF va mikroto'lqinli texnologiyani sanoatda qo'llashda (oziq-ovqat sanoati, vulkanizatsiya, yopishtiruvchi moddalarni isitish, plastik qoplamalarni cho'ktirish, induksion isitish va boshqalar);

ichida kimyoviy texnologiya(yuqori korroziv muhitda, elektrokimyoviy jarayonlarda, portlovchi va oson yonuvchi materiallarda haroratni o'lchash);

elektrotexnika va elektronika sanoatida (yuqori kuchlanish sxemalari komponentlari, boshqaruv sxemalari va elektron komponentlarning issiqlik xarakteristikalari, yarimo'tkazgichlarni ishlab chiqarishdagi o'lchovlar, yuqori quvvatli transformatorlardagi issiq nuqtalar va boshqalar);

biologiya va tibbiyotda (elektromagnit nurlanish ta'sirida biologik ta'sirlar, mikroto'lqinli nurlanish ta'sirida qizib ketish va boshqalar);

tadqiqot amaliyotida (eng kichik namunalarni o'lchash, elektr maydonlari, plazma yoki elektron nurlar mavjudligida o'lchovlar, yomon elektr o'tkazuvchanligi bo'lgan materiallarning sirtlarini aniq o'lchash).

Optik tolali harorat sensorining ishlash printsipi ba'zi fosforlarning turli xil floresan chiziqlari intensivligining haroratga bog'liqligiga asoslanadi. Bunday sensorning qurilmasi rasmda ko'rsatilgan. 10.39. Manba (St) tomonidan chiqarilgan displey tizimi (L 1, F, D 1 ...D 3, L 3) orqali ultrabinafsha nurlanish kvarts yorug'lik yo'riqnomasiga qaratilgan bo'lib, uning oxiri teflon PFA qatlami bilan qoplangan. (tashqi diametri 0,7 mm). Yorug'lik o'tkazgichining oxirida qalinligi 0,13 mm bo'lgan fosfor qatlami (La 2 O 2 S:Eu) mavjud bo'lib, u ultrabinafsha nurlanish ta'sirida 500...600 spektral diapazonda lyuminestsent nurlanishni chiqaradi. nm. Bu nurlanish, o'z navbatida, yana tola orqali optik tizimga yo'naltiriladi, bu erda ikkita o'ziga xos Y va R chiziqlar undan IF 1 va IF 2 filtrlari bilan ajratiladi. Elektron usulda aniqlangan Y/R intensivlik nisbati monoton funktsiyadir. -50 dan + 250 ° C gacha bo'lgan harorat oralig'ida. Ruxsat ± 2 ° S xatolik bilan 0,1 ° S ni tashkil qiladi.

Shaklda. 10.40 0,2 ... 6000 A oralig'ida kontaktsiz oqim o'lchash uchun sensorni ko'rsatadi. Bu erda ishlatiladigan o'lchov printsipi Faraday effektiga asoslangan.

Chiziqli polarizatsiyalangan lazer nuri optik toladan lasanga kiritiladi, uning o'qi bo'ylab oqim o'tkazuvchi kabel o'tadi. I oqim ta'sirida yorug'likning qutblanish tekisligi (Faraday effekti) a(I) = 2NVI burchak ostida aylanadi, bu erda N - kabel atrofidagi tolaning burilish soni, V - tolaning Verdet konstantasi. material.

Keyin Wollaston prizmasi (WP) yordamida o'zaro perpendikulyar polarizatsiya komponentlari D 1 va D 2 detektorlariga yo'naltiriladi. Detektor signallari ko'proq hisoblash qurilmasiga uzatiladi. Natijada, o'lchov natijalari lineerlikdan 1% dan kamroq og'ishlarga ega.

Guruch. 10.39. Optik tolali harorat sensori qurilmasi ( a), Y va R spektral chiziqlari intensivligining haroratga bog'liqligi ( b) va qo'zg'atuvchi lyuminestsent nurlanishning intensivligini taqsimlash ( ichida).

Guruch. 10.40. Faraday effekti asosida o'zgaruvchan tokni o'lchash uchun optik tolali sensor.

=======================================================================================

Magnit maydon sensorlari

Optik sensorlar

Optik joylashuv sensorlari

Zaryadga ulangan qurilmalarga asoslangan tasvir sensorlari

Optik p?r?zl?l?k sensorlari

IR datchiklari

Optik tolali sensorlar

________________________________________________________________________________________________________________________

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; sanoat aloqalarini optimallashtirish uchun elektr kabellari va havo uzatish liniyalarining issiqlik nazorati; neft va gaz quduqlari samaradorligini oshirish; sanoat induksion eritish pechlarining xavfsiz ish holatini ta'minlash; yuk tushirish terminallarida kemalarda suyultirilgan gazli konteynerlarning germetikligini nazorat qilish; to'g'on va to'siqlarda sizib chiqishlarni aniqlash; haroratni nazorat qilish da kimyoviy jarayonlar; 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. . Berilgan texnik afzallik arzon yarimo'tkazgichdan foydalanishga imkon beradi lazerli diodlar va signal uzatish uchun arzon elektron komponentlar. 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. Raman haroratni o'lchash tizimining texnik tavsiflari asbob parametrlarini (diapazon, mahalliy ruxsat, haroratning aniqligi, o'lchash vaqti) sozlash 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 mavjud akril bilan qoplangan yoki UV bilan davolovchi qoplama 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 uchun monitoring tizimi odatiy hisoblanadi quyidagi xususiyatlar: bitta tizim ishlay oladigan masofa 1 - 2 metr fazoviy o'lchamlari bilan 40 - 50 km.

Brillouin monitoring tizimlarining kamchiliklari ularning dizayni murakkabligini o'z ichiga oladi yuqori narx. 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 tarqalishga asoslangan tizimlardan farq qiladi, chunki doimiy "zond" lazer nurlanishi va kuchli nasos pulsi tolaga yo'naltiriladi.

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 ortishi, kabelning uzunligi bo'ylab sovutish sharoitlarining yomonlashishi yoki ba'zi bir nuqsonlarning natijasi bo'lishi mumkin. kabel izolyatsiyasi va muftalar.

Kabel dizayniga integratsiyalashgan optik tolali haroratni kuzatish 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, reallikni oqilona hisobga olishga imkon beradi iqlim sharoiti va kabel liniyasining barcha uchastkalarini yotqizishning mahalliy xususiyatlari.
• 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 aniqlash uchun ayniqsa muhimdir texnik imkoniyati kabelning eng qizigan qismini hisobga olgan holda kabel liniyasi orqali qo'shimcha quvvatni uzatish.
• 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. Ochiq havoda yotqizish usuli optik tolali sensor harorat 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. Da tashqi o'rnatish kabinet ichki haroratni sozlash tizimi bilan ta'minlangan.

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.

Boshqariladigan kabel liniyasining joriy harorat rejimi va ekspert diagnostikasi natijalari haqidagi ma'lumotlar 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

Kirish

Elektr bo'lmagan kattaliklarni elektr kattaliklariga aylantiruvchi turli xil konvertorlar inson bilimining ko'plab sohalarida va undan ham ko'proq tibbiyotda o'z o'rnini mustahkamladi. Radioelektronika, mikroelektronika, metrologiya va materialshunoslik kabi fanlarning juda ko'p yutuqlariga tayanmaydigan turli kasalliklarni tashxislash va ularni davolash bilan shug'ullanadigan zamonaviy shifokorni tasavvur qilish qiyin. Garchi sensorlar tibbiy elektronikaning eng sekin rivojlanayotgan sohalaridan biri bo'lsa-da, va umuman olganda, barcha elektronika, diagnostika va davolash asboblari va tizimlarining aksariyati to'g'ridan-to'g'ri yoki bilvosita juda ko'p turli xil transduserlar va elektrodlarni o'z ichiga oladi, ularsiz ushbu tizimning ishlashi mumkin emas. ba'zan aqlga sig'maydi.

Taqdim etilgan ishda sensorlarning ayrim turlari ko'rib chiqiladi. Ma'lum bir qiyinchilik tibbiy sensorlarning juda ko'p xilma-xilligida, shuningdek, ushbu mavzu bilan bog'liq bo'lgan juda oz miqdordagi nashrlarda mavjud.

Optik tolali sensorlar

Optoelektronika - bu optika va elektronika kesishmasida paydo bo'lgan juda yangi fan va texnologiya sohasi. Shuni ta'kidlash kerakki, radiotexnika rivojlanishida 20-asrning boshidan beri doimiy ravishda yuqori chastotali elektromagnit to'lqinlarni o'zlashtirish tendentsiyasi mavjud edi.

Optoelektronikaning rivojlanishidagi muhim moment optik tolalarni yaratishdir. Tadqiqotlar 1960-yillarning oxirida ayniqsa jadallashdi va 1970 yilda Amerikaning Corning kompaniyasi tomonidan past susaytiruvchi kvarts tolasining (20 dB/km) ishlab chiqilishi muhim voqea bo'lib, tadqiqot va tadqiqot sur'atlarini oshirishga turtki bo'ldi. 1970 yillar davomida rivojlanish.

Optik tolalar odatda ikkita turdan biri hisoblanadi: bir rejimli, unda faqat bitta rejim tarqaladi (uzatiladigan elektromagnit maydonni taqsimlash turi) va ko'p rejimli, ko'p (yuzga yaqin) rejimlarni uzatish bilan.

Strukturaviy jihatdan bu turdagi tolalar faqat yadro diametrida - yorug'lik yo'naltiruvchi qismda farqlanadi, uning ichida sinishi ko'rsatkichi periferik qismga qaraganda bir oz yuqoriroq - qobiq.

Tibbiyot texnologiyasida ham multimod, ham bir rejimli optik tolalar qo'llaniladi. Ko'p rejimli tolalar katta (taxminan 50 mkm) yadro diametriga ega, bu ularni bir-biriga ulashni osonlashtiradi. Ammo yorug'likning guruh tezligi har bir rejim uchun har xil bo'lganligi sababli, tor yorug'lik pulsi uzatilganda u kengayadi (dispersiyaning oshishi). Ko'p rejimli tolalar bilan solishtirganda, bir rejimli tolalarning afzalliklari va kamchiliklari teskari: dispersiya kamayadi, ammo kichik (5-10 mkm) yadro diametri ushbu turdagi tolalarni ulashni va lazer nurini kiritishni sezilarli darajada murakkablashtiradi. ular.

Natijada, bir rejimli optik tolalar yuqori ma'lumot uzatish tezligini talab qiladigan aloqa liniyalarida (aloqa liniyalarining ierarxik tuzilishidagi yuqori darajali liniyalar) ustunlik qiladi va ko'p rejimli optik tolalar ko'pincha aloqa liniyalarida qo'llaniladi. nisbatan past axborot uzatish tezligi. Faqat bitta rejimli tolalar mos keladigan kogerent tolali optik aloqalar mavjud. Ko'p rejimli optik tolada qabul qilingan yorug'lik to'lqinlarining kogerentligi pasayadi, shuning uchun uni kogerent aloqa liniyalarida qo'llash amaliy emas, bu esa bunday liniyalarda faqat bitta rejimli optik tolalardan foydalanishni oldindan belgilab qo'ydi.

Aksincha, sensorlar uchun optik tolalardan foydalanilganda, yuqoridagi omillar ham sodir bo'ladi, lekin ko'p hollarda ularning roli allaqachon boshqacha. Xususan, kogerent o'lchovlar uchun optik tolalardan foydalanganda, bu tolalar interferometrni tashkil qilganda, bir rejimli tolalarning muhim afzalligi optik to'lqinning fazasi haqidagi ma'lumotlarni uzatish qobiliyatidir, bu multimodli tolalar bilan amalga oshirilmaydi. Shuning uchun, bu holda, kogerent aloqa liniyalarida bo'lgani kabi, faqat bitta rejimli optik tola kerak.

Biroq, amalda, o'lchovlarda bir rejimli optik toladan foydalanish uning kichik dispersiyasi tufayli atipikdir. Shunday qilib, sensorli optoelektronikada, interferometr sensorlari bundan mustasno, multimodli optik tolalar qo'llaniladi. Bu holat, shuningdek, sensorlarda ishlatiladigan optik tolalar uzunligi optik aloqa tizimlariga qaraganda ancha past ekanligi bilan izohlanadi.

Optik tolalarning umumiy afzalliklarini ta'kidlash kerak:

• keng polosali (u bir necha o'nlab teragertsgacha bo'lishi kerak);
• · kam yo'qotishlar (minimal 0,154 dB/km);
• · kichik (taxminan 125 mikron) diametri;
• · kichik (taxminan 30 g/km) massa;
• elastiklik (minimal b?kme radiusi 2 mm);
• mexanik kuch (taxminan 7 kg kuchlanish yukiga bardosh beradi);
• · o'zaro aralashuvning yo'qligi (telefoniyada "o'tish davri suhbatlari" deb nomlanuvchi turdagi o'zaro bog'liqlik);
• induktiv bo'lmagan (deyarli ta'sir qilmaydi elektromagnit induksiya, va natijada, chaqmoq oqimlari, elektr uzatish liniyalariga yaqinlik, elektr tarmog'idagi oqim impulslari bilan bog'liq salbiy hodisalar);
• portlash xavfsizligi (tolaning uchqun paydo bo'lishiga mutlaq qobiliyatsizligi bilan kafolatlangan);
• yuqori elektr izolyatsiyalash kuchi (masalan, 20 sm uzunlikdagi tola 10 000 V gacha bo'lgan kuchlanishlarga bardosh bera oladi);
• · yuqori korroziyaga chidamliligi, ayniqsa kimyoviy erituvchilar, moylar, suv.

Amalda, optik tolali sensorlardan foydalanish mavjud eng yuqori qiymat oxirgi to'rtta xususiyat. Elastiklik, kichik diametr va massa kabi xususiyatlar juda foydali. Keng polosali va past yo'qotishlar optik tolalarning imkoniyatlarini sezilarli darajada oshiradi, ammo bu afzalliklar har doim ham sensor ishlab chiquvchilar tomonidan amalga oshirilmaydi. Biroq, zamonaviy nuqtai nazardan, kabi funksionallik yaqin kelajakda optik tolali sensorlar, bu holat asta-sekin yaxshilanadi.

Quyida ko'rsatilgandek, optik tolali sensorlarda optik tolali oddiygina uzatish liniyasi sifatida ishlatilishi mumkin yoki u sensorning eng sezgir elementi rolini o'ynashi mumkin. Ikkinchi holda, tolaning elektr maydoniga sezgirligi (Kerr effekti) ishlatiladi, magnit maydon(Faraday effekti), tebranish, harorat, bosim, deformatsiya (masalan, egilish). Optik aloqa tizimlarida bu ta'sirlarning ko'pchiligi kamchiliklar sifatida baholanadi, sensorlarda esa ularning tashqi ko'rinishi ishlab chiqilishi kerak bo'lgan afzallik hisoblanadi.

Zamonaviy optik tolali sensorlar deyarli hamma narsani o'lchash imkonini beradi. Masalan, bosim, harorat, masofa, fazodagi joylashuv, aylanish tezligi, chiziqli tezlik, tezlanish, tebranish, massa, tovush to‘lqinlari, suyuqlik darajasi, deformatsiya, sindirish ko‘rsatkichi, elektr maydoni, elektr toki, magnit maydon, gaz konsentratsiyasi, nurlanish dozasi. radiatsiya. Endoskopiyaning butun texnikasi bunday tolalar to'plamlaridan foydalanishga asoslangan.

Agar optik tolali datchiklarni ulardagi optik toladan foydalanish nuqtai nazaridan tasniflaydigan bo'lsak, ularni taxminan optik tolali uzatish liniyasi sifatida ishlatiladigan sensorlarga va sensor element sifatida ishlatiladigan sensorlarga bo'lish mumkin. "Etkazish liniyasi" tipidagi sensorlar asosan ko'p rejimli optik tolalardan foydalanadi, sensor tipidagi sensorlar esa ko'pincha bir rejimli optik tolalardan foydalanadi.

Elektr uzatish liniyasi sifatida tolali optik tolali sensorlar yordamida quyidagi jismoniy miqdorlarni o'lchash mumkin:

• · vaqtinchalik turdagi sensor: harorat (multimodeli tolalarda doimiy luminesansning o'zgarishini o'lchash asosida, 0 - 70 ° C oralig'ida ± 0,04 ° S aniqlik bilan);
• Ko'zgu turi sensori: qondagi kislorod kontsentratsiyasi (spektral xarakteristikada o'zgarish mavjud, aks ettirilgan yorug'likning intensivligi aniqlanadi, optik tolalar kateter orqali kirish bilan nurdir).

Agar sensordagi optik tola sezgir element sifatida ishlatilsa, quyidagi ilovalar mumkin:

• · Mishelson interferometri pulsni, qon oqimining tezligini o'lchash imkonini beradi: Doppler effekti yordamida biz urish chastotasini aniqlashimiz mumkin - ham bir rejimli, ham ko'p rejimli tolalar qo'llaniladi; o'lchash diapazoni: 10 -4 - 10 8 m / s.
• interferometrik bo'lmagan tuzilishga asoslanib, dozani aniqlash imkonini beruvchi sensorni qurish mumkin ionlashtiruvchi nurlanish, ishlatiladigan fizik hodisa - rang berish markazining shakllanishi, aniqlangan qiymat - uzatilgan yorug'likning intensivligi.

Xulosa qilib aytish kerakki, optik tolali sensorning asosiy elementlari quyidagilardir: optik tolali, yorug'lik chiqaradigan (yorug'lik manbai) va yorug'lik qabul qiluvchi qurilmalar va optik sezgir element.

Bundan tashqari, ushbu elementlar orasidagi aloqa yoki sensor bilan o'lchash tizimini shakllantirish uchun maxsus chiziqlar kerak. Bundan tashqari, optik tolali sensorlarni amaliy qo'llash uchun tizim texnologiyasining elementlari talab qilinadi, ular yuqoridagi elementlar va aloqa liniyasi bilan birgalikda o'lchash tizimini tashkil qiladi.

Optik tolali sensorlarning asosiy tuzilmalarining tasnifi:

• tolaning xususiyatlarining o'zgarishi bilan (shu jumladan maxsus tolalar);
• uzatiladigan yorug'lik parametrlarining o'zgarishi bilan;
• tolaning oxirida sezgir element bilan.

Optik tolali sensorlarning ishlash printsipi o'lchangan konvertatsiyaga asoslangan jismoniy miqdorlar modulyatsiyalangan yorug'lik signaliga, keyinchalik uni optik tolali aloqa liniyasi orqali uzatish, dekodlash va ishlatish. Lazer, yorug'lik chiqaradigan diod yoki boshqa qurilma tomonidan yaratilgan yorug'lik amplituda, faza, chastota, impuls kengligi va polarizatsiya bo'yicha modulyatsiya qilinishi mumkin. Zarur bo'lganda, modulyatsiyalangan yorug'lik signallari kuchaytiriladi yoki zaiflashadi, masofaga uzatiladi, optikdan raqamliga va aksincha o'zgartiriladi. Optik tolaning xususiyatlaridan foydalanish tabiatiga ko'ra, optik tolali sensorlarni ikki sinfga bo'lish mumkin - tashqi va ichki.

Tashqi sensorlar optik signalni bir nuqtadan ikkinchisiga, yorug'lik manbasidan sensorga va sensordan detektorga uzatish uchun faqat massiv element sifatida tolali chiziqlardan foydalanadi. Tashqi optik tolali qurilmalar tomonidan qabul qilinadigan hodisaning o'lchangan qiymatlari yoki xususiyatlarini baholash natijasi o'z-o'zidan tolaning xususiyatlariga bog'liq emas, chunki quyidagi hodisalar o'lchov ma'lumotlarini olib yuradi: yorug'lik oqimining uzilishi, yorug'likning aks etishi, yorug'likning to'lqin uzunligini filtrlash va turli to'lqin uzunliklarida uzatish, optik tolali liniyaga etkazib beriladigan energiya o'zgarishi nurlanishi. Optik tolali liniyaning ikkita qismi o'rtasida uzatiladigan yorug'lik oqimining uzilishidan foydalanadigan sensorlar juda keng tarqalgan va ishlatiladigan juda moslashuvchan qurilmalardir. Datchiklarning ishlashi yorug'lik nurini blokirovka qilish printsipiga asoslanadi. Ushbu turdagi sensorlarga misol sifatida yig'ish liniyasi yoki qadoqlash bilan oziqlanadigan qismlarning hisoblagichi hisoblanadi.

Optik tolaga kiradigan yorug'likning intensivligiga ta'sir qiluvchi sensor, printsipial jihatdan, optik tolaga uzatiladigan signalning rangi yoki chastota spektriga ta'sir ko'rsatishga qodir. Bunday spektral modulyatorlar yorug'lik to'lqin uzunligini filtrlash va turli to'lqin uzunliklarida uzatish bilan bog'liq o'lchov tizimlarining asosi hisoblanadi. Ularning yordami bilan suyuq aralashmalarda turli komponentlarning mavjudligi va miqdoriy nisbati, yopiq hajmlarda rangli tutun paydo bo'lishi, ko'zoynak va qatronlardagi rangli komponentlar, shuningdek, kristallar kabi ma'lum muhitlarning rangi o'zgargan haroratni o'lchash. .

Yorug'lik qizg'inligini yoki optik quvvatni o'lchash datchiklari konveyer yoki tutqichdagi elektron uskunaning bir qismi yoki komponentining holatini aniqlash uchun ishlatilishi mumkin. Sensor detektorning etarli darajada yoritilmaganligiga yoki bir yoki ikkita tirqishning noto'g'ri yoritilishiga javob beradi va qismning holatini to'g'rilash zarurligini bildiradi. Shunga o'xshash qurilmalar robotli yig'ish liniyalarida keng qo'llaniladi. Ular yorug'likning nisbiy o'zgarishiga javob berganligi sababli, ularning aniqligi uning manbai tomonidan yaratilgan yorug'lik intensivligining o'zgarishiga bog'liq emas.

Ichki sensorlarda faol element optik tolaning o'zi bo'lib, uning uzatish xususiyatlarini o'zgartiradi. optik chiziq(yoki uning bo'limi) bir vaqtning o'zida sensorlardir. O'lchangan parametr u yoki bu tarzda tolaning xususiyatlariga va natijada u orqali o'tadigan yorug'lik nurining xususiyatlariga ta'sir qiladi. Bunday holda, tarqalishning guruh yoki faza tezligi, optik tolali chiziqda so'rilgan optik quvvat o'zgarishi mumkin.

Yorug'likning optik tolali chiziqdan o'tgandan keyin qutblanish burchagi o'zgarishini qayd qiluvchi datchiklarning ishlash printsipi optik tolaning optik ko'rsatkichining modifikatsiyasi tufayli qutblanish tekisligining aylanish hodisasiga asoslanadi. elektromagnit maydon. Shu maqsadda ko'plab shishasimon materiallarda uchraydigan magnit-optik Faraday effekti qo'llaniladi.

Robotlar, avtomatik yig'ish liniyalari uchun juda sezgir sensorli sensor talab qilinadi, u oddiy, arzon, kichik o'lchamli, kichik kodga ega, vaqt o'tishi bilan xarakterli barqarorlik va qarshilikka ega bo'lishi kerak. elektromagnit maydonlar. Ushbu sensorlardan birida ajratuvchi, optik tolali qozon va polarizatordan o'tuvchi manbadan yorug'lik nuri nurning spektral tarkibini minimal bosim (tegish) bilan o'lchaydigan sensorga kiradi. Sensordan oyna yordamida o'lchangan spektrli kompozitsiyaga ega yorug'lik optik tolali kabel va ajratgich orqali filtrga, undan sensorli elementga va chiqish signalini qabul qiluvchiga qaytariladi. Qurilmaning optik sezgirligi bosim va materialga bog'liq. Haroratni o'lchashda yarimo'tkazgichli qurilmadagi o'lchash elementi diskret optik sensor sifatida ishlatilishi mumkin, bu shisha tolali bo'laklar orasiga o'ralgan nozik yarim o'tkazgich plastinka bo'lib, u orqali yorug'lik signali uzatiladi. Butun sensor zanglamaydigan po'lat quvurga o'ralgan. Yorug'lik ko'p rejimli optik tola orqali sensorga kiradi va chiqariladi. Yarimo'tkazgich plitasi orqali energiya uzatiladigan to'lqin uzunligi qiymatlari diapazoni chiziqli ravishda ortadi. Sensor 243 dan 573 K gacha bo'lgan haroratni o'lchash uchun mo'ljallangan.

1. Amaliy optika: Proc. nafaqa / L.G.Bobchuk, Yu.V.Bogachev, N.P.Zakaznov va boshqalar; Jami ostida ed. N.P. Zakaznova. M.: Mashinostroenie, 1988. -312 b.
2. Ko'rish tizimlari (asosiy asoslar, apparat va dasturiy ta'minot) / A.N.Pisarevskiy, A.F.Chernyavskiy, G.A.Afanasiev va boshqalar; Jami ostida ed. A.N.Pisarevskiy, A.F.Chernyavskiy. L.: Mashinasozlik. Leningrad. bo'lim, 1988. 424 b.