Оптическая обработка информации

Сенсоризация производственной деятельности, т. е. замена органов чувств человека на датчики, должна рассматриваться в качестве третьей промышленной революции вслед за первыми двумя - машинно-энергетической и информационно-компьютерной. Потребность в датчиках стремительно растет в связи с бурным развитием автоматизированных систем контроля и управления, внедрением новых технологических процессов, переходом к гибким автоматизированным производствам. Помимо высоких метрологических характеристик датчики должны обладать высокой надежностью, долговечностью, стабильностью, малыми габаритами, массой и энергопотреблением, совместимостью с микроэлектронными устройствами обработки информации при низкой трудоемкости изготовления и небольшой стоимости.

Этим требованиям в максимальной степени удовлетворяют волоконно-оптические датчики.

Волоконно-оптические датчики

Первые попытки создания датчиков на основе оптических волокон можно отнести к середине 1970-х годов.

Публикации о более или менее приемлемых разработках и экспериментальных образцах подобных датчиков появились во второй половине 1970-х годов.

Однако считается, что этот тип датчиков сформировался как одно из направлений техники только в начале 1980-х годов.

Тогда же появился и термин "волоконно-оптические датчики" (optical fiber sensors).

Таким образом, волоконно-оптические датчики - очень молодая область техники.

От электрических измерений к электронным

Конец XIX века можно считать периодом становления метрологии в ее общем виде.

К тому времени произошла определенная систематизация в области электротехники на основе теории электромагнетизма и цепей переменного тока.

До этого физические величины измерялись главным образом механическими средствами, а сами механические измерения распространены были незначительно. Электрические же измерения ограничивались едва ли не исключительно только электростатическими.

Можно сказать, что метрология, развиваясь по мере прогресса электротехники, с конца XIX века стала как бы ее родной сестрой.

Рассмотрим этапы и успехи этого развития.

В течение нескольких десятков лет, вплоть до второй мировой войны, получили распространение электроизмерительные приборы, принцип работы которых основан на силах взаимодействия электрического тока и магнитного поля (закон Био - Совара).

Тогда же эти приборы внедрялись в быстро развивающуюся промышленность. Особенность периода в том, что наука и техника, причастные к электроизмерительным приборам, становятся ядром метрологии и измерительной индустрии.

После второй мировой войны значительные успехи в развитии электроники привели к громадным переменам в метрологии.

В пятидесятых годах появились осциллографы, содержащие от нескольких десятков до сотни и более электронных ламп и обладающие весьма высокими функциональными возможностями, а также целый ряд подобных устройств, которые стали широко применяться в сфере производства и научных исследований.

Так наступила эра электронных измерений.

Сегодня, по прошествии 30 лет, значительно изменилась элементная база измерительных приборов.

От электронных ламп перешли к транзисторам, интегральным схемам (ИС), большим ИС (БИС).

Таким образом, и сегодня электроника является основой измерительной техники.

От аналоговых измерений к цифровым Однако между электронными измерениями, которые производились в 1950-e годы, и электронными измерениями 1980-х годов большая разница.

Суть ее заключается в том, что во многие измерительные приборы введена цифровая техника.

Здесь датчик в случае измерения электрической величины (электрический ток или напряжение) особой роли не играет, и довольно часто выходным устройством такого измерителя является индикатор.

Однако при использовании подобного прибора в какой-либо измерительной системе сплошь и рядом приходится сталкиваться с необходимостью обработки сигнала различными электронными схемами.

Внедрение цифровой измерительной техники подразумевает в идеале, что цифровой сигнал поступает непосредственно от чувствительного элемента датчика.

Но пока это скорее редкость, чем правило.

Чаще же всего этот сигнал имеет аналоговую форму, и для него на входе блока обработки данных установлен аналого-цифровой преобразователь (АЦП).

Цифровая же техника используется главным образом в блоке обработки данных и в выходном устройстве (индикаторе) или в одном из них.

Основное преимущество использования цифровой техники в процессе обработки данных - это сравнительно простая реализация операций высокого уровня, которые трудно осуществимы с помощью аналоговых устройств.

К таким операциям относятся подавление шумов, усреднение, нелинейная обработка, интегральные преобразования и др.

При этом функциональная нагрузка на чувствительный элемент датчика уменьшается, и снижаются требования к характеристикам элемента.

Кроме того, благодаря цифровой обработке становится возможным измерение весьма малых величин.

Цифризация и волоконно-оптические датчики

Важно отметить, что одним из этапов развития волоконно-оптических датчиков было функциональное расширение операций, выполняемых в блоке обработки данных датчика, путем их цифризации и, что особенно существенно, упрощение операций нелинейного типа.

Ведь в волоконно-оптических датчиках линейность выходного сигнала относительно измеряемой физической величины довольно часто неудовлетворительна.

Благодаря же цифризации обработки эта проблема теперь частично или полностью решается.

Нечего и говорить, что важный стимул появления волоконно-оптических датчиков - создание самих оптических волокон, о которых будет рассказано ниже, а также взрывообразное развитие оптической электроники и волоконно-оптической техники связи.

Становление оптоэлектроники и появление оптических волокон

Лазеры и становление оптоэлектроники

Оптоэлектроника - это новая область науки и техники, которая появилась на стыке оптики и электроники.

Следует заметить, что в развитии радиотехники с самого начала ХХ века постоянно прослеживалась тенденция освоения электромагнитных волн все более высокой частоты.

Вытекающее из этого факта предположение, что однажды радиотехника и электроника достигнут оптического диапазона волн, становится все более и более достоверным, начиная с 1950-х годов.

Годом возникновения оптоэлектроники можно считать 1955-й, когда Е. Лоебнер (Loеbner Е. Е. Optoelectronic devices and networks//Proc. 1ЕЕЕ. 1955. V. 43. N 12. Р. 1897 - 1906) описал потенциальные параметры различных оптоэлектронных устройств связи, нынче называемых оптронами, т. е. когда были обсуждены основные характеристики соединения оптического и электронного устройств.

С тех пор оптоэлектроника непрерывно развивается, и полагают, что до конца ХХ века она превратится в огромную отрасль науки и техники, соизмеримую с электроникой.

Появление в начале 1960-х годов лазеров способствовало ускорению развития оптоэлектроники.

Потенциальные характеристики лазеров описаны еще в 1958 г., а уже в 1960 г. был создан самый первый лазер - газовый, на основе смеси гелия и неона.

Генерирующие непрерывное излучение при комнатной температуре полупроводниковые лазеры, которые в настоящее время получили наиболее широкое применение, стали выпускаться с 1970 г.

Появление оптических волокон

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

Можно заметить, что для кварцевых оптических волокон потери за 10 лет (в 1970-е годы) уменьшились примерно на два порядка.

Изначальной и главной целью разработки оптических волокон было обеспечение ими оптических систем связи.

Тем не менее, в 1970-е годы, когда в технике оптических волокон применительно к оптическим системам связи были достигнуты уже значительные успехи, влияние волокон на развитие волоконно-оптических датчиков, о которых пойдет речь в этой книге, оказалось несколько неожиданным.

Одно- и многомодовые оптические волокна.

Оптическое волокно обычно бывает одного из двух типов: одномодовое, в котором распространяется только одна мода (тип распределения передаваемого электромагнитного поля), и многомодовое - с передачей множества (около сотни) мод.

Конструктивно эти типы волокон различаются только диаметром сердечника - световедущей части, внутри которой коэффициент преломления чуть выше, чем в периферийной части - оболочке.

В технике используются как многомодовые, так и одномодовые оптические волокна. Многомодовые волокна имеют большой (примерно 50 мкм) диаметр сердечника, что облегчает их соединение друг с другом.

Но поскольку групповая скорость света для каждой моды различна, то при передаче узкого светового импульса происходит его расширение (увеличение дисперсии).

По сравнению с многомодовыми у одномодовых волокон преимущества и недостатки меняются местами: дисперсия уменьшается, но малый (5...10 мкм) диаметр сердечника значительно затрудняет соединение волокон этого типа и введение в них светового луча лазера.

Вследствие этого одномодовые оптические волокна нашли преимущественное применение в линиях связи, требующих высокой скорости передачи информации (линии верхнего ранга в иерархической структуре линий связи), а многомодовые чаще всего используются в линиях связи со сравнительно невысокой скоростью передачи информации.

Имеются так называемые когерентные волоконно-оптические линии связи, где пригодны только одномодовые волокна.

В многомодовом оптическом волокне когерентность принимаемых световых волн падает, поэтому его использование в когерентных линиях связи непрактично, что и предопределило применение в подобных линиях только одномодовых оптических волокон.

Напротив, хотя при использовании оптических волокон для датчиков вышеуказанные факторы тоже имеют место, но во многих случаях их роль уже иная.

В частности, при использовании оптических волокон для когерентных измерений, когда из этих волокон формируется интерферометр, важным преимуществом одномодовых волокон является возможность передачи информации о фазе оптической волны, что неосуществимо с помощью многомодовых волокон.

Следовательно, в данном случае необходимо только одномодовое оптическое волокно, как и в когерентных линиях связи.

Тем не менее, на практике применение одномодового оптического волокна при измерении нетипично из-за небольшой его дисперсии.

Короче говоря, в сенсорной оптоэлектронике, за исключением датчиков-интерферометров, используются многомодовые оптические волокна.

Это обстоятельство объясняется еще и тем, что в датчиках длина используемых оптических волокон значительно меньше, чем в системах оптической связи.

Характеристики оптического волокна как структурного элемента датчика и систем связи

Прежде чем оценивать значимость этих характеристик для обеих областей применения, отметим общие достоинства оптических волокон:

- широкополосность (предполагается до нескольких десятков терагерц);

- малые потери (минимальные 0,154 дБ/км);

- малый (около 125 мкм) диаметр;

- малая (приблизительно 30 г/км) масса;

- эластичность (минимальный радиус изгиба 2 MM);

- механическая прочность (выдерживает нагрузку на разрыв примерно 7 кг);

- отсутствие взаимной интерференции (перекрестных помех типа известных в телефонии "переходных разговоров");

- безиндукционность (практически отсутствует влияние электромагнитной индукции, а, следовательно, и отрицательные явления, связанные с грозовыми разрядами, близостью к линии электропередачи, импульсами тока в силовой сети);

- взрывобезопасность (гарантируется абсолютной неспособностью волокна быть причиной искры);

- высокая электроизоляционная прочность (например, волокно длиной 20 см выдерживает напряжение до 10000 B);

- высокая коррозионная стойкость, особенно к химическим растворителям, маслам, воде.

В области оптической связи наиболее важны такие достоинства волокна, как широкополосность и малые потери, причем в строительстве внутригородских сетей связи наряду с этими свойствами особое значение приобретают малый диаметр и отсутствие взаимной интерференции, а в электрически неблагоприятной окружающей среде - безиндукционность.

Последние же три свойства в большинстве случаев здесь не играют какой-либо заметной роли.

В практике использования волоконно-оптических датчиков имеют наибольшее значение последние четыре свойства.

Достаточно полезны и такие свойства, как эластичность, малые диаметр и масса.

Широкополосность же и малые потери значительно повышают возможности оптических волокон, но далеко не всегда эти преимущества осознаются разработчиками датчиков.

Однако, с современной точки зрения, по мере расширения функциональных возможностей волоконно-оптических датчиков в ближайшем будущем эта ситуация понемногу исправится.

Как будет показано ниже, в волоконно-оптических датчиках оптическое волокно может быть применено просто в качестве линии передачи, а может играть роль самого чувствительного элемента датчика.

В последнем случае используются чувствительность волокна к электрическому полю (эффект Керра), магнитному полю (эффект Фарадея), к вибрации, температуре, давлению, деформациям (например, к изгибу).

Многие из этих эффектов в оптических системах связи оцениваются как недостатки, в датчиках же их появление считается скорее преимуществом, которое следует развивать.

Следует также отметить, что оптические волокна существенно улучшают характеристики устройств, основанных на эффекте Саньяка.

-> Квесты -> Софт -> Симуляторы -> Для детей -> Аркады -> Экшн -> Ролевые игры (RPG) -> Стратегии На PORTA.ru ОГРОМНЫЙ выбор портативной техники: MD-плееры CD-плееры MP3-плееры Кассетные плееры Диктофоны Радио Цифр. камеры Сотовые Дешевые ноутбуки