Курсова робота з курсу В«Технологія матеріалів мікро-, опто-та наноелектроніки В»
Московський Інститут Електронної Техніки (ТУ)
Москва 2009 р.
Введення
Волоконно-оптичний датчик (ВОД) - датчик фізичних величин, в конструкції якого в якості чутливого елемента і передавальної оптичне випромінювання середовища використовується волоконний світловод. Чутливий елемент ВОД перетворює певний фізичний вплив у зміну властивостей пройшов, відбитого або розсіяного випромінювання. За принципом дії ВОД можна розділити на групи в Відповідно до того, який параметр оптичної хвилі вимірюється для отримання інформації про фізичному впливі: інтенсивність, фаза, стан поляризації, спектральний або мoдовий склад випромінювання.
За принципом роботи і конструктивним особливостям датчики можна розділити на чотири групи [5]:
1. Оптопари з відкритим каналом, де розміщується або контрольована середу, або проміжний елемент.
2. Волоконно-оптичні датчики, в яких чутливим елементом є саме волокно, оптичні властивості якого змінюються під дією зовнішніх факторів.
3. Інтегрально-оптичні датчики, що використовують в якості чутливого елемента планарний світловод, виготовлений методами інтегральної оптики; принцип дії такого датчики заснований на порушенні повного внутрішнього відображення для променів, що поширюються уздовж світловода, і В«витіканняВ» їх через межу розділу за рахунок наближення до неї середовища або зміни її показника заломлення.
4. Датчики з волоконно-оптичними зв'язками, в яких чутливий елемент розташовується в місці розриву оптичного волокна і впливає на його светопередачей.
Сучасні ВОД дозволяють вимірювати деформацію, тиск, температуру, відстань, положення в просторі, швидкість лінійного переміщення і швидкість обертання, прискорення, параметри коливань і звукових хвиль, рівень рідин, показник заломлення, електричне і магнітне поле, дозу радіаційного випромінювання, а також ряд інших фізичних величин.
Використання ВОД грунтується на таких явищах, як електрооптичний, Магнітооптичний, упругооптіческій, термооптіческій ефекти, люмінесценція, комбінаційне розсіювання, розсіювання Релея і Мандельштама-Бріллюена, межмодовая взаємодія та інших.
Перевагами ВОД є: захищеність від впливу електромагнітних полів, висока чутливість, надійність, відтворюваність і широкий динамічний діапазон вимірювань, малі габарити і вага, висока корозійна і радіаційна стійкість, електроізоляційна міцність, пожежобезпечність, можливість спектрального та просторового мультиплексування чутливих елементів, розташованих у одному або в декількох світловодах, значна відстань до місця проведення вимірювань, малий час відгуку [4].
Одним з нових і перспективних варіантів ВОД температури і механічних деформацій є датчики з використанням волоконних грат показника заломлення (Бреггівського решіток) в якості чутливого елемента - вони володіють властивістю відбивати випромінювання на певній довжині хвилі.
Сфери використання ВОД температури і деформації об'єктів, побудовані на основі решіток, вельми різноманітні. Наведемо далеко не повний перелік можливих областей застосування таких систем:
всі види будівництва та комунікацій, автомобілебудування, авіація, кораблебудування, експлуатація та контроль стану (цілісність, безпеку) міських будівель і промислових об'єктів [6].
В основі використання волоконних бреггівського решіток (ВБР) лежить залежність резонансної довжини хвилі О»БР від температури світловода і від прикладених до нього механічних розтягуючих або стискуючих напружень.
Запропоновано велике число способів вимірювання зсуву О»БР [3]. Найбільш прямим з них є вимірювання спектра пропускання/відбиття решітки за допомогою широкосмугового джерела випромінювання і спектроаналізатора або за допомогою вузькосмугового перебудованого лазера і фотоприймача. Такий спосіб є нечутливим до оптичних втрат, які можуть виникати в оптичному тракті при проведенні вимірювань, і забезпечує високу точність вимірювань О»БР. Разом з тим така схема реєстрації використовує досить дороге устаткування і має обмежене швидкодію.
Зазначені схеми дозволяють виміряти фізичну величину в місці знаходження ВБР, разом з тим часто виникають задачі вимірювання просторового розподілу цієї величини. Для цього розроблені схеми, що дозволяють мультиплексировать чутливі елементи, у тому числі розташовані в одному світловоді. До числа таких схем слід віднести:
-спектральне мультиплексування каналів, при якому чутливі елементи рознесені на різні довжини хвиль;
-використання оптичних перемикачів, що підключають той чи інший чутливий елемент до системі виміру;
-просторово-тимчасове мультиплексування, при якому відгук від кожної з решіток реєструється в різні моменти часу;
-комбіновані схеми, що включають в себе кілька принципів мультиплексування каналів, перерахованих вище.
Перераховані схеми вимірювання О»БР, як правило, забезпечують точність вимірювання температури ~ 0.1 Вє С і відносного подовження ~ 10-6.
Існує також велика кількість робіт, присвячених важливим на практиці питань поділу впливу температури та деформації на зрушення резонансної довжини хвилі решітки, а також одночасного виміру цих параметрів [2].
Конструкція ВОД температури і схема вимірювань.
Датчик температури на основі ВБР являє собою наступну систему [6]:
рис.1. Конструкція датчика температури на ВБР.
Загальний принцип дії виглядає наступним чином: волоконна бреггівського грати пов'язує основну моду світловода з тією ж модою, що розповсюджується в протилежному напрямку. Це означає, що на певній довжині хвилі розповсюджується по світловод випромінювання відбивається від грат повністю або частково. Властивості цього відображення залежать від параметрів решітки. Довжина відбиваного світла визначається формулою, де - ефективний показник заломлення, - період решітки [4].
При зміні температури змінюється період бреггівського решітки, а значить, змінюється і довжина відбиваного випромінювання. Ці зміни в спектрі відбитого світла фіксує фотоприймач, далі інформація аналізується і визначається температура об'єкта контролю.
Як правило, для контролю станів об'єктів використовують відразу декілька датчиків, об'єднаних в одну систему.
Схема системи датчиків [6] представлена ​​на наступному малюнку.
рис.2. Система датчиків температури.
Широкосмуговий сигнал від напівпровідникового джерела світла 3 через волоконно-оптичний розгалужувач 2 надходить у волоконну вимірювальну лінію 1. Відбитий решітками сигнал через той же відгалужувач надходить на оптичний аналізатор спектра 4. Персональний комп'ютер 5 через необхідні проміжки часу зчитує спектр і обробляє його за допомогою спеціальної програми. Слід відзначити масштабованість системи як за кількістю датчиків на одній вимірювальної лінії (до 50 - 100 точок вимірювання), так і за кількістю волоконно-оптичних ліній вимірювання (з використанням оптичного перемикача). Локальність вимірювань може становити від декількох міліметрів до декількох сантиметрів в залежності від конкретних умов і задач. Середня точність датчика-порядку 0.1 В° С, діапазон вимірювань: -100 Вё +400 В° С.
4. Методи запису бреггівського грат
В силу малого періоду ВБР (О› ~ 0.5 мкм) їх, як правило, формують з використанням інтерференційних методів. Так як процес запису необхідної решеточной структури може тривати кілька десятків хвилин, виготовлення якісної решітки можливо лише при високій стабільності інтерференційної картини.
Незважаючи на те, що число запропонованих схем запису ВБР досить велике, можна виділити ряд основних принципів їх організації [2].
В перший інтерферометрі, який використовувався для запису бреггівського грат (Рис. 5a), використо...
