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. Diagnostika bilan shug'ullanadigan zamonaviy shifokorni tasavvur qilish qiyin turli kasalliklar va ularni davolash radioelektronika, mikroelektronika, metrologiya, materialshunoslik kabi fanlarning ko'plab yutuqlariga asoslanmagan. 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 XX asrning boshidanoq doimiy ravishda o'zlashtirish tendentsiyasi mavjud edi. elektromagnit to'lqinlar har doim yuqori chastota.

Optoelektronikaning rivojlanishidagi muhim moment yaratilishdir optik tolalar. 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 bo'ladi: bitta rejimli, unda faqat bitta rejim tarqaladi (uzatiladigan tarqatish turi). elektromagnit maydon), va multimode - 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.

DA tibbiy texnologiya ham ko'p rejimli, 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 tolalarning uzunligi tizimlarga qaraganda ancha past ekanligi bilan izohlanadi. optik aloqa.

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). Ushbu effektlarning ko'pchiligi optik tizimlar ulanishlar 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. 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).

Sensordagi optik tola sezgir element sifatida ishlatilsa, bu mumkin quyidagi ilovalar:

• · 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.

Fotoelektrik sensorlar

optik sensor zamonaviy avtomatlashtirilgan ishlab chiqarishning ko'zlari. Fotosensorlarning asosiy qismida spektrning infraqizil hududida ishlaydi. Fotoelektrik sensorlar uchta asosiy turga bo'linadi:

T-turi yoki THRU-BEAM(oraliq optika) yoki optik nurni uzish uchun sensorlar. Bir-biriga qarama-qarshi o'rnatilgan qabul qiluvchi va emitentdan iborat. Qabul qilgich va emitent o'rtasida o'tadigan ob'ekt optik nurni to'xtatadi, bu esa qabul qiluvchining chiqish kaliti holatini o'zgartirishga olib keladi.

R - turi yoki RETRO(reflektor/reflektor aks ettirish bilan). Emitent va qabul qiluvchi bir xil korpusda joylashgan. Emitent tomonidan yuborilgan optik impuls reflektordan aks etadi va qabul qilgichga tushadi. Reflektor va sensor o'rtasida joylashgan ob'ekt tomonidan nurning uzilishi sensorning chiqish kaliti holatining o'zgarishiga olib keladi.

D-turi yoki DIFFUSE(ob'ektdan aks ettirish bilan). Optik nurning aks etishi to'g'ridan-to'g'ri aniqlash ob'ektidan sodir bo'ladi. Ob'ekt yo'qligida optik chiziq ochiq, ob'ekt sensoriga yaqinlashganda, optik impuls energiyasining bir qismi (ob'ektning rangi va uning p?r?zl?l???ne qarab) ob'ektdan aks ettiriladi va emitent bilan bir xil korpusda joylashgan sensor qabul qiluvchiga kiradi, bu esa chiqish kaliti holatining o'zgarishi.

Qisqa masofalarda, "o'lik zona" doirasida R tipidagi datchiklar ob'ektni reflektor sifatida qabul qiladi, buning natijasida ob'ekt aniqlanmaydi. Bunday holatlarning oldini olish uchun polarizatsiya filtrli sensorlardan foydalanish kerak.

Kitob tez rivojlanayotgan optik tolali sensorlar sohasiga kirish kursi bo?lib, yangi qo?llanish sohalarini qamrab oladi. Uch bo'limning har biri - "Asosiy komponentlar", "Texnologiya" va "Ilovalar" - bu sohadagi katta yutuqlarning alohida misollari keltirilgan. Ular birgalikda muhandislar, olimlar, bakalavriat va magistratura talabalariga optik tolali sensorlar haqida to'liq tushuncha beradi.
Kitob o'qish uchun yordamchi sifatida ishlatilishi mumkin mashg'ulot kurslari, shuningdek, optik tolali sensorlar bo'yicha sanoat seminarlarida.

Optik tolalar turlari.

Yorug'likdan aloqa vositasi sifatida foydalanishni odamlar olovdan foydalanishni o'rgangan paytdan boshlab boshlaganga o'xshaydi. Signal yong'inlari va tutun signallari ming yillar davomida ishlatilgan. Signallarni katta masofalarga uzatish uchun nometall ixtiro qilinishi bilan quyosh yorug'lik manbai sifatida ishlatila boshlandi. Xabarlarni olgan odamlar ularni to'g'ri talqin qilishdi. Bunday usullar asrlar davomida takomillashtirildi va rivojlandi. Aleksandr Graham Bellning videotelefoni yaxshi ma'lum bo'lib, u taxminan 200 m masofada yorug'lik nurlari yordamida xabarlarni uzatish uchun ishlatiladi.Bunday usullarning rivojlanishiga yaxshi yorug'lik manbalari va ishonchli kam yo'qotishli uzatish kanallarining yo'qligi to'sqinlik qildi. 1962 yilda lazer ixtiro qilinishi bilan vaziyat butunlay o'zgardi. Bo'sh kosmosda bunday manba tomonidan chiqariladigan kogerent yorug'lik yuz minglab kilometr uzoqlikdagi masofaviy qabul qiluvchi tomonidan qabul qilinishi mumkin. Biroq, mos uzatish muhitining yo'qligi, Capron va boshqalar eritilgan silika tolasidagi yorug'likning susayishi juda past ekanligini ko'rsatmaguncha, optik aloqalarning rivojlanishiga to'sqinlik qilishda davom etdi, bu kengaytirilgan aloqa liniyalarini yaratishga imkon beradi. Uzoq sochli yupqa tolalar yordamida signal uzatish uchun ko'p kilometr tolali liniyalarni yotqizish mumkin
modulyatsiyalangan bilan lazer nurlanishi.

Shaklda. 2.2-rasmda yorug'likning tola orqali o'tishi ko'rsatilgan. Hovuzning tubida suzuvchini ko'rib chiqing. Agar u suv yuzasiga etarlicha kichik burchak ostida qarasa, suv omborining pastki qismi suv-havo interfeysida to'liq aks etadi. Taxminan xuddi shu narsa tolaning ichida sodir bo'ladi; yorug'lik ko'plab ichki ko'zgular tufayli uzatiladi. Elyafning ichida yorug'lik sinishi indeksi pastroq bo'lgan optik qoplama materialidan yadro tomon orqaga qaytariladi. Shunday qilib, doimiy ichki aks ettirish yorug'likning harakat yo'nalishi bo'yicha tarqalishiga imkon beradi. Corning Inc tomonidan ishlab chiqarishni bir vaqtning o'zida boshlash. va Bell Labs past yo'qotadigan tolalar optik aloqa va yuqori ishlashga qodir arzon narxlardagi optik tolali sensorlar uchun eshikni ochdi.

Mundarija
Muqaddima
1-bob
Optik tolali sensor texnologiyasining paydo bo'lishi
2-bob
Optik tola
2.1. Kirish
2.2. Optik tolalar turlari
2.2.1. Snel (Snell) sinishi qonuni va umumiy ichki aks ettirish
2.2.2. Ko'p rejimli tola bosqichli profil (pog'onali sinishi ko'rsatkichi)
2.2.3. Yagona rejimli bosqichli indeksli tola
2.2.4. Pulsning kengayishi
2.2.5. Sinov ko'rsatkichi darajali profilga ega optik tola
2.2.6. Yagona rejimli polarizatsiyani saqlaydigan tola
2.3. Optik tolali ishlab chiqarish texnologiyalari
2.3.1. O'zgartirilgan kimyoviy bug'larni joylashtirish usuli
2.3.2. Tashqi kimyoviy yog'ingarchilik usuli
2.3.3. Eksenel joylashtirish usuli (VAD)
2.3.4. shisha tayoqchalar
2.3.5. Optik tolali to'lqin o'tkazgichlarda zaiflashuv
2.4. Datchiklarni yaratish uchun optik tolalarning xususiyatlaridan foydalanish
2.4.1. egilish
2.4.2. S?n?mli tebranish aloqasi va sensori shu printsip asosida qurilgan
2.4.3. Yo'nalishli ajratgichlar va ulardan datchiklarni qurish uchun foydalanish
2.5. Xulosa
Adabiyot
3-bob
Nur manbalari
3.1. Kirish
3.2. Yorug'lik manbalarining asosiy xususiyatlari
3.2.1. Spontan emissiya
3.2.2. Rag'batlantirilgan emissiya
3.2.3. ustunlik
3.3. Kogerentlik uzunligi
3.4. Yarimo'tkazgichli yorug'lik manbalari
3.4.1. Yorug'lik chiqaradigan diodlar
3.4.2. Lazerli diodlar
3.4.3. Supero'tkazuvchi diodlar
3.4.4. Optik tolali lazerlar va kuchaytirgichlar
3.5. Xulosa
Adabiyot
4-bob
Optik nurlanish qabul qiluvchilar
4.1. Kirish
4.2. Nazariy asos
4.2.1. Optik nurlanishni ro'yxatga olish statistikasi
4.2.2. Yarimo'tkazgichlar ishlashining asosiy tamoyillari
4.3. Yarimo'tkazgichli fotodiodlar
4.4. Ko'chki fotodiodlari
4.5. Shovqin
4.5.1. Matematik asoslar
4.5.2. Detektor pallasida to'g'ridan-to'g'ri oqimlarning oqimi tufayli shovqin
4.5.3. Issiqlik effektlari tufayli shovqin
4.5.4. Signal va shovqin nisbati
4.6. Spektrni ro'yxatdan o'tkazish
4.7. Xulosa
Adabiyot
5-bob
Optik tolali sensorlar uchun optik modulyatorlar
5.1. Kirish
5.2. Elektro-optik effekt
5.3. Ovoz modulyatorlari
5.3.1. Elektro-optik fazali modulyatsiya
5.3.2. Elektr-optik intensivlik modulyatsiyasi
5.3.3. Volumetrik akusto-optik chastotali siljish
5.4. O'rnatilgan optik modulyatorlar
5.4.1. Fazali modulyatsiya
5.4.2. Interferometrik intensivlik modulyatsiyasi
5.4.3. O'rnatilgan optik chastota konvertorlari
5.5. Sof optik tolali modulyatorlar
5.5.1. Fazali modulyatsiya
5.5.2. Chastotani ofset
Adabiyot
6-bob
Intensivlikni o'lchash va Fabry-Perot interferometriga asoslangan sensorlar
6.1. Intensivlik sensorlari
6.2. Yarimo'tkazgichli sensorli elementli harorat sensorlari
6.3. Joylashuv enkoderlari
6.4. Ko'p rejimli Fabry-Perot sensorlari
6.4.1. Ko'p rejimli Fabry-Perot sensorlarining rivojlanish tarixi
6.4.2. Ish tamoyillari
6.4.3. Sensor dizayni
6.4.4. O'qish usullari
6.5. Yagona rejimli Fabry-Perot sensorlari
6.5.1. Yagona rejimli datchiklar uchun o?quvchi imkoniyatlari
Adabiyot
7-bob
Ko'p rejimli diffraksion sensorlar
7.1. Kirish
7.2. Nazariy asos
7.2.1. Optik kodlash usullari
7.3. Bir-biriga qarama-qarshi massivlarning nisbiy harakatiga asoslangan datchiklar
7.4. Datchiklar panjara davri modulyatsiyasiga asoslangan
7.5. Sensorni ishlab chiqish holati
7.6. Xulosa
Adabiyot
8-bob
Ko'p rejimli polarizatsiya sensorlari
8.1. Kirish
8.2. Nazariy asos
8.2.1. Polarizatsiya va kechikishning fenomenologik tavsifi
8.2.2. Puankare shari
8.2.3. Myuller va Jonsning rasmiyatchiligi
8.2.4. Yarim to'lqinli plastinkaning kechikishi va maxsus xususiyatlari
8.2.5. Fotoelastik effekt
8.2.6. Optik umumiy rejimni rad etish
8.2.7. Optik kodlash usullari
8.2.8. Ruxsat va shovqin
8.3. Fotoelastiklik ta'siriga asoslangan datchiklar
8.4. Fazali plastinka sensorlari
8.5. Sensorni ishlab chiqish holati
Adabiyot
9-bob
Sagnac interferometri va passiv halqali rezonatorga asoslangan optik tolali sensorlar
9.1. Kirish
9.2. Qisqa sharh optik aylanish va Sagnac effektli sensorlar
9.3. Ringli lazerli giroskop
9.3.1. Bloklash muammosini hal qilish
9.4. Passiv halqali rezonatorli giroskop
9.5. optik tolali giroskop
9.6. Aylanish sensori sifatida foydalanilganda halqa lazeri, passiv halqa rezonatori va optik tolali interferometr o'rtasidagi kelishuv
9.6.1. Joylashtirish va ishlab chiqarish imkoniyatlari
9.6.2. Ishonchlilik masalalari va ilovalari
9.7. Parametr sensorlari tashqi muhit Sagnac interferometridan foydalanish
9.7.1. Tez o'zgaruvchan atrof-muhit hodisalari: akustik tebranishlarni aniqlash
9.7.2. Kuchaytirgich sifatida yorug'lik manbasidan foydalangan holda Sagnac interferometriga asoslangan akustik sensor
9.7.3. Optik tolali g'altakning konfiguratsiyasi
9.7.4. Faza va polarizatsiya modulyatsiyasi
9.7.5. Mexanik stress
9.7.6. To'lqin uzunligini o'lchash
9.7.7. xulosalar
Adabiyot
10-bob
Mach-Zehnder va Mishelson interferometrlari asosidagi optik tolali sensorlar
10.1. Kirish
10.2. Ish printsipi
10.2.1. Ikki nurli interferometriya
10.2.2. Demodulyatsiya
10.2.3. Shovqin
10.2.4. Polarizatsiya
10.3. Tolali interferometrlarning sxemalari
10.4. Ilovalar
10.4.1. Dinamik ilovalar
10.4.2. Statik ilovalar
10.5. Xulosa
Adabiyot
11-bob
Tarqalgan va multiplekslangan optik tolali sensorlar
11.1. Kirish
11.2. Tarqalgan o'lchovlar
11.2.1. Tolali tizimlarda optik diapazon
11.2.2. Rayleigh teskari tarqalishini o'lchash usullari
11.2.3. Ramanning orqaga tarqalishi haroratini o'lchash
11.2.4. Tarqalgan o'lchovlar rejimning o'zaro ta'siriga asoslangan
11.2.5. Kvazi-tarqatilgan sensorlar
11.3. Sensorli multiplekslashning asosiy tamoyillari
11.3.1. Telemetriya asoslari: tarmoqlar
11.3.2. Intensivlik sensori tarmoqlari
11.4. Interferometrik datchiklarni multiplekslash
11.4.1. Multiplekslangan birlashtirilgan datchiklar uchun interferometrik demodulyatsiya usullari
11.4.2. Interferometrik datchiklarning multipleks topologiyasi
Adabiyot
12-bob
Optik tolali magnit maydon sensorlari
12.1. Kirish
12.2. Faraday effektiga asoslangan datchiklar
12.2.1. Optik tolalardagi Faraday effekti
12.2.2. Shovqin
12.2.3. Sensor tuzilmalari
12.3. Magnitostriktiv sensorlar
12.3.1. Magnetostriktsiya
12.3.2. Magnitostriktiv transduserlar
12.3.3. Magnitostriktiv datchiklardagi shovqin
12.3.4. Sensor tuzilmalari
12.4. Lorents kuchiga asoslangan datchiklar
Adabiyot
13-bob
Optik tolali sensorlarning sanoat ilovalari
13.1. Kirish
13.2. Asoslar
13.3. Haroratni o'lchash
13.4. Bosim o'lchash
13.5. Suyuqlik darajasini o'lchash
13.6. Oqim o'lchovi
13.7. Lavozimni o'lchash
13.8. Vibratsiyani o'lchash
13.9. Kimyoviy tahlil
13.10. Oqim va kuchlanishni o'lchash
13.11. Sanoat ilovalari uchun muhim eslatmalar
13.12. Xulosa
Adabiyot
14-bob
Optik tolali aqlli tuzilmalar
14.1. Kirish
14.2. Optik tolali sensor tizimlari
14.3. Optik tolali aqlli tuzilmalar va qobiqlarning qo'llanilishi
14.4. Aqlli tuzilmalarda optik tolali sensordan foydalanishga misol
14.5. Xulosa
Adabiyot
Qo'shimcha A
A.1 bob
Nolinchi siljish
A.2-bob
Optik elementlar
Ilova
Adabiyot
Qo'shimcha B
Adabiyot.

1-sahifa

Optik tolali sensorlar hozirda optoelektronikaning eng dinamik rivojlanayotgan sohalaridan biri hisoblanadi. Oxirgi 30 yil ichida optik tolali harorat va bosim sensorlarining eng oddiy konstruksiyalaridan keng ko‘lamli datchiklarni yaratishgacha tez o‘tish sodir bo‘ldi. jismoniy miqdorlar, olimlar va muhandislar bugungi kunda fan va texnikaning turli sohalarida foydalanadilar. Optik tolali datchiklarning jadal rivojlanishi va takomillashuviga asosan mamlakatimizda optik tolali telekommunikatsiya tarmoqlarini joriy etishning tobora kengayib borayotgan jarayoni turtki bo'lmoqda. kundalik hayot. Element bazasining xususiyatlarini doimiy ravishda takomillashtirishdan tashqari optik tolali, bu bevosita optik tolali sensorlarni ishlab chiqarish texnologiyasida qo'llaniladi, bu aloqa tizimlari va monitoring tizimlarining xususiyatlarini organik ravishda birlashtirgan tarmoqlangan o'lchash tizimlarini yaratish uchun keng istiqbollarni ochadi, ularning konfiguratsiyasi qo'shimcha qurilmalarni jalb qilmasdan doimiy ravishda takomillashtirilishi mumkin. aloqa liniyalari. Optik tolali sensorlarning muhim afzalligi, shuningdek, o'lchash tizimlariga yangi sifatlarni kiritishdir, masalan: kichik o'lchamlar, nazoratsiz va agressiv ta'sirlarga qarshilik. muhit va elektromagnit shovqin, yuqori sezuvchanlik, o'lchash masofasi va individual sensorlarni murakkab o'lchash tizimlariga multiplekslash imkoniyati, ishlab chiqarish qobiliyati va potentsial past narx.

SFIFP va VFIFP asosidagi optik tolali sensorlar odatda kichik o'lchamlarga ega va jismoniy maydonlar parametrlarini mahalliy o'lchash uchun eng mos keladi.

Tashqi jismoniy ta'sir natijasida yorug'lik qo'llanmalari orqali tarqaladigan optik signallarning intensivligini to'g'ridan-to'g'ri modulyatsiya qiladigan amplitudali optik tolali sensorlar eng oddiy va ishlatish uchun qulay FOS dizaynlari hisoblanadi. Bugungi kunga kelib, shartli ravishda ikkita asosiy sinfga bo'linadigan amplituda FOS jismoniy miqdorlarining turli xil dizaynlari ishlab chiqilgan. Sensorlarning birinchi sinfi amplituda FOSni o'z ichiga oladi, unda optik tolalar faqat sezgir elementdan nurlanishni etkazib berish va olib tashlash bilan bog'liq passiv funktsiyani bajaradi. Bunday dizaynlar juda sezgir va juda oddiy, ammo ular tarqatilgan tarmoqlarda foydalanishga imkon bermaydigan bir qator kamchiliklarga ega. o'lchash tizimlari. Ushbu kamchiliklar sensorning sezgir elementiga radiatsiya kirishini ta'minlash uchun uzluksiz tolali chiziqni uzish zarurati bilan bog'liq bo'lib, bu o'zaro bog'liqlik elementlarida yorug'lik quvvatining sezilarli darajada yo'qolishiga olib keladi, bundan tashqari, bir-biriga o'xshamaydigan optik komponentlar o'lchash asboblari xususiyatlarining past mexanik barqarorligini keltirib chiqaradi.

Optik tolali datchiklarda VOBRlar nurlanishni aks ettirish rejimida ishlaydi.

Optik tolali datchiklarning boshqa komponentlari, masalan, tolali ajratgichlar 200 - 300 S haroratgacha, radiatsiya manbalari, fotodetektorlar va modulyatorlar esa 100 - 150 S gacha bo'lgan haroratgacha xususiyatlarini o'zgartirmasdan ishlashi mumkin. Shu sababli, manbalar aerokosmik optik tolali telemetriya tizimlarida radiatsiya, sensorli multiplekslash va signallarni qayta ishlash maxsus sovutilgan bloklarga o'ralgan bo'lishi kerak.

Optik tolali sensorlar orasida muhim o'rinni bir tolali ko'p rejimli interferometrlarga asoslangan polarizatsiya sensorlari va sensorlar egallashi mumkin, ular Fabry-Perot tolali interferometrlari kabi faqat bitta o'lchash tolasi yo'lini talab qiladi va qo'shimcha mos yozuvlar qo'lini talab qilmaydi. o'lchov tizimlarini loyihalashni soddalashtiradi.

Optik tolali sensorlar uchun optik tolalar Hozirgi vaqtda optik tolali sanoatning asosiy ustuvor yo'nalishi telekommunikatsiya ilovalari uchun optik tolalarni ishlab chiqishdir. Bu tolalar 0 5 dB/km past susaytiruvchiga ega va 1 3 va 1 55 mikron atrofida spektral diapazonda foydalanish uchun optimallashtirilgan. Ushbu ikki radiatsiya to'lqin uzunligi nol material dispersiyasi (1 3 mkm) va bir rejimli kvarts tolalari uchun minimal yo'qotishlar (1 55 mkm) mavjudligi nuqtai nazaridan qiziqish uyg'otadi. Shu bilan birga, optik tolali datchiklarni yaratish spektrning boshqa mintaqalaridan nurlanish, shuningdek, multimodli optik tolalardan foydalanishni talab qiladi. Elyaf sensorlari uchun yadro diametrini, uning materialini va yadro va qoplamaning sinishi ko'rsatkichlari o'rtasidagi farqni tanlashni optimallashtirish ham katta ahamiyatga ega.

Optik tolali sensorlarda nurlanish manbalari lazerlar (gaz, qattiq holat va yarim o'tkazgich lazerlar), yorug'lik chiqaruvchi diodlar, superlyuminestsent va lazerli optik tolali emitentlardir. Yorug'lik chiqaruvchi diodlar va superlyuminestsent tolali emitentlar o'z-o'zidan yorug'lik chiqarishga asoslangan bo'lib, buning natijasida ular ko'proq keng assortiment radiatsiya va ular tomonidan chiqariladigan yorug'likning ancha qisqa kogerent uzunligi. Bundan tashqari, ushbu yorug'lik manbalarining o'z-o'zidan emissiyasi statistikasi termal nurlanish manbalarining statistikasiga yaqin bo'lib, ular uchun yorug'lik intensivligining o'zgarishini hal qiluvchi ahamiyatga ega. Nisbatan past intensivlikdagi shovqin darajasiga va chiqarilgan yorug'likning tor spektrli diapazoniga ega bo'lgan lazer nurlanish manbalari juda kogerent yorug'lik manbalari bo'lib, ularni intensiv shovqin manbalari va fazali shovqin manbalari qiladi.

Tarqalgan SMBS optik tolali sensorlarning fazoviy o'lchamlari zondlash lazer pulsining davomiyligi bilan belgilanadi, tolaning harorati va deformatsiyasini o'lchashning aniqligi o'lchash tizimidagi signal-shovqin nisbati va aniqligi bilan belgilanadi. radiatsiya spektridagi Brilyuen chastotasining siljishini o'lchash.

Bunday mustaqil sensorlar Raman effekti yoki SBS tarqalishiga asoslangan optik tolali harorat sensori bo'lishi mumkin.

Bir qator ishlar optik tolali harorat sensorlarini yaratish bilan bog'liq bo'lib, ularning ishlashi yarimo'tkazgichlarning optik yutilish chetini siljitishga asoslangan.

Optik tolali sensorlarni ishlab chiqishni texnologiyaga joriy etish istiqbollari marketingi sifatida va sanoat ishlab chiqarish, ularning bozori faqat ichida Shimoliy Amerika 2010 yilga borib 5 milliard dollarga yetkaziladi. Optik tolali datchiklardan foydalanishning eng katta istiqbollari kimyo va neftni qayta ishlash sanoati, aviatsiya va kosmik texnologiyalar, transport, qurilish, biotibbiyot sanoati, harbiy sohalarda va boshqalarda ko'rinadi. raqamli xaritalar va global sun'iy yo'ldosh aloqa tizimi bilan birgalikda samolyotlar va avtomobillar uchun sifat jihatidan yangi navigatsiya tizimlarini yaratishga imkon berdi, ular o'zlarining xarakteristikalari bo'yicha elektron hamkasblaridan sezilarli darajada ustundir. Bugungi kunda tolali giroskoplar allaqachon robot qurilmalarning joylashishni aniqlash tizimlariga kiritila boshlandi.

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 konusning uchi suyuqlikka botirilganda, sinishi ko'rsatkichlari farqi o'zgaradi va ilgari og'ish tufayli to'liq aks ettirish yorug'lik sensorning konusning uchidan chiqib ketadi 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, qo'llash plastik qoplamalar, induksion isitish va hokazo.);

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

elektr va elektron sanoatida (sxema komponentlari yuqori kuchlanish, 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 nurlanishi kvarts yorug'lik qo'llanmasiga 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 nurlanishi ta'sirida 500...600 spektral diapazonda lyuminestsent nurlanishni chiqaradi. nm. Bu nurlanish, o'z navbatida, yana tola orqali optik tizimga yo'naltiriladi, bu erda Y va R ikkita o'ziga xos 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

________________________________________________________________________________________________________________________