Вступ
Сенсорізація виробничої діяльності, тобто заміна органів чуття людини на датчики, повинна розглядатися в якості третьої промислової революції слідом за першими двома - машинно-енергетичної й інформаційно-комп'ютерної. Потреба в датчиках стрімко зростає у зв'язку з бурхливим розвитком автоматизованих систем контролю і керування, впровадженням нових технологічних процесів, переходом до гнучких автоматизованих виробництв. Крім високих метрологічних характеристик датчики повинні володіти високою надійністю, довговічністю, стабільністю, малими габаритами, масою і енергоспоживанням, сумісністю з мікроелектронних пристроями обробки інформації при низькій трудомісткості виготовлення і невеликій вартості. Цим вимогам у максимальному ступені задовольняють волоконно-оптичні датчики.
Волоконно-оптичні датчики
Перші спроби створення датчиків на основі оптичних волокон можна віднести до середини 1970-х років. Публікації про більш-менш прийнятних розробках і експериментальних зразках подібних датчиків з'явилися в другій половині 1970-х років. Проте вважається, що цей тип датчиків сформувався як один з напрямків техніки тільки на початку 1980-х років. Тоді ж з'явився і термін "волоконно-оптичні датчики" (optical fiber sensors). Таким чином, волоконно-оптичні датчики - дуже молода область техніки.
Від електричних вимірювань до електронних
Кінець X IX століття можна вважати періодом становлення метрології в її загальному вигляді. На той час відбулася певна систематизація в галузі електротехніки на основі теорії електромагнетизму і ланцюгів змінного струму. До цього фізичні величини вимірювалися головним чином механічними засобами, а самі механічні вимірювання поширені були незначно. Електричні ж вимірювання обмежувалися чи не виключно тільки електростатичними. Можна сказати, що метрологія, розвиваючись у міру прогресу електротехніки, з кінця XIX століття стала як би її рідною сестрою.
Розглянемо етапи і успіхи цього розвитку. Протягом декількох десятків років, аж до другої світової війни, набули поширення електровимірювальні прилади, принцип роботи яких заснований на силах взаємодії електричного струму і магнітного поля (закон Біо - совари). Тоді ж ці прилади впроваджувалися у швидко розвивається промисловість. Особливість періоду в тому, що наука і техніка, причетні до електровимірювальні прилади, стають ядром метрології та вимірювальної індустрії.
Після другої світової війни значні успіхи в розвитку електроніки привели до величезним змінам в метрології. У п'ятдесятих роках з'явилися осцилографи, що містять від декількох десятків до сотні і більше електронних ламп і володіють досить високими функціональними можливостями, а також цілий ряд подібних пристроїв, які стали широко застосовуватися у сфері виробництва та наукових досліджень. Так настала ера електронних вимірювань. Сьогодні, після 30 років, значно змінилася елементна база вимірювальних приладів. Від електронних ламп перейшли до транзисторам, інтегральних схем (ІС), великим ІС (ВІС). Таким чином, і сьогодні електроніка є основою вимірювальної техніки.
Від аналогових вимірювань для цифрових
Однак між електронними вимірами, які проводилися в 1950-e роки, і електронними вимірами 1980-х років велика різниця. Суть її полягає в тому, що в багато вимірювальні прилади введена цифрова техніка.
Зазвичай електронний вимірювальний прилад має структуру, подібну до зображеної на рис. 1. Тут датчик у випадку вимірювання електричної величини (електричний струм або напруга) особливої ролі не грає, і досить часто вихідним пристроєм такого вимірювача є індикатор. Однак при використанні такого приладу в будь-якій вимірювальної системи часто-густо доводиться стикатися з необхідністю обробки сигналу різними електронними схемами. Впровадження цифрового вимірювальної техніки має на увазі в ідеалі, що цифровий сигнал надходить безпосередньо від чутливого елементу датчика. Але поки що це скоріше рідкість, чим правило. Частіше ж за все цей сигнал має аналогову форму, і для нього на вході блоку обробки даних встановлено аналого-цифровий перетворювач (АЦП). Цифрова ж техніка використовується головним чином у блоці обробки даних і в вихідному пристрої (індикаторі) або в одному з них.

Рис. 1. Типова структура електронного вимірювача
Основна перевага використання цифрової техніки в процесі обробки даних - це порівняно проста реалізація операцій високого рівня, які важко здійсненні за допомогою аналогових пристроїв. До таких операцій відносяться придушення шумів, усереднення, нелінійна обробка, інтегральні перетворення та ін При цьому функціональне навантаження на чутливий елемент датчика зменшується і знижуються вимоги до характеристик елемента. Крім того, завдяки цифровій обробці стає можливим вимірювання дуже малих величин.
Ціфрізація та волоконно-оптичні датчики
Важливо відзначити, що одним з етапів розвитку волоконно-оптичних датчиків було функціональне розширення операцій, які виконуються в блоці обробки даних датчика, шляхом їх ціфрізаціі і, що особливо важливо, спрощення операцій нелінійного типу. Адже в волоконно-оптичних датчиках лінійність вихідного сигналу щодо вимірюваної фізичної величини досить часто є незадовільною. Завдяки ж ціфрізаціі обробки ця проблема тепер частково або повністю вирішується.
Годі й казати, що важливий стимул появи волоконно-оптичних датчиків - створення самих оптичних волокон, про які розповімо нижче, а також вибухово розвиток оптичної електроніки та волоконно-оптичної техніки зв'язку.
Становлення оптоелектроніки і поява оптичних волокон
Лазери і становлення оптоелектроніки

Рис. 2. Зниження мінімальних втрат передачі для різних типів оптичних волокон
Оптоелектроніка - це нова галузь науки і техніки, яка з'явилася на стику оптики та електроніки. Слід зауважити, що в розвитку радіотехніки з самого початку ХХ століття постійно простежувалася тенденція освоєння електромагнітних хвиль все більш високої частоти. Що випливає з цього факту припущення, що одного разу радіотехніка та електроніка досягнуто оптичного діапазону хвиль, стає все більш і більш вірогідним, починаючи з 1950-х років. Роком виникнення оптоелектроніки можна вважати 1955-й, коли Е. Лоебнер (Loеbner Е. Е. Optoelectronic devices and networks// Proc. 1ЕЕЕ. 1955. V. 43. N 12. Р. 1897 - 1906) описав потенційні параметри різних оптоелектронних пристроїв зв'язку, нині званих оптронів, тобто коли були обговорені основні характеристики з'єднання оптичного та електронного пристроїв.
З тих пір оптоелектроніка безперервно розвивається, і вважають, що до кінця ХХ століття вона перетвориться на величезну галузь науки і техніки, порівнянний з електронікою. Поява на початку 1960-х років лазерів сприяло прискоренню розвитку оптоелектроніки. Потенційні характеристики лазерів описані ще в 1958 р., а вже в 1960 р. був створений самий перший лазер - газовий, на основі суміші гелію і неону. Генеруючі безперервне випромінювання при кімнатній температурі напівпровідникові лазери, які в даний час отримали найбільш широке застосування, стали випускатися з 1970 р.
Поява оптичних волокон
Важливим моментом у розвитку оптоелектроніки є створення оптичних волокон. Особливо інтенсивними дослідження стали в кінці 1960-x років, а розробка в 1970 р. американською фірмою "Корнінг" кварцового волокна з малим загасанням (20 дБ/км) з'явилася епохальною подією і послужила стимулом для збільшення темпів досліджень і розробок на всі 1970-ті роки.
На рис. 2 показано зниження мінімальних втрат передачі для різних оптичних волокон протягом минулих десяти з гаком років. Можна відмітити, що для кварцових оптичних волокон втрати за 10 років (у 1970-і роки) зменшилися приблизно на два порядки.
Початковою і головною метою розробки оптичних волокон було забезпечення ними оптичних систем зв'язку. Проте в 1970-і роки, коли в техніці оптичних волокон стосовно до оптичних систем зв'язку вже були досягнуті значні успіхи, вплив волокон на розвиток волоконно-оптичних датчиків, про які піде мова в цій книзі, виявилося дещо несподіваним.
Одно-та багатомодові оптичні волокна.

Рис. 3. Одномодове (а) і багатомодове (б) оптичне волокно
Оптичне волокно зазвичай буває одного з двох типів: одномодове, в якому поширюється тільки одна мода (тип розподілу переданого електромагнітного поля), і багатомодове - з передачею безлічі (близько сотні) мод. Конструктивно ці типи волокон розрізняються тільки діаметром сердечника - световедущей частини, всередині якої коефіцієнт заломлення трохи вище, ніж у периферійній частині - оболонці (рис. 3).
У техніці використовуються як багатомодові, так і одномодові оптичні волокна. Багатомодового волокна мають великий (приблизно 50 мкм) діаметр сердечника, що полегшує їх з'єднання між собою. Але оскільки групова швидкість світла для кожної моди різна, то при передачі вузького світлового імпульсу відбувається його розширення (збільшення дисперсії). У порівнянні з багатомодовим у одномодових волокон переваги і недоліки міняються місцями: дисперсія зменшується, але малий (5 ... 10 мкм) діаметр сердечника значно ускладнює підключення волокон цього типу і введення в них світлового променя лазера.
Внаслідок цього одномодові оптичні волокна знайшли переважне застосування в лініях зв'язку, що вимагають високої швидкості передачі інформації (лінії верхнього рангу в ієрархічній структурі ліній зв'язку), а багатомодові найчастіше використовуються в лініях зв'язку з порівняно невисокою швидкістю передачі інформації. Є так звані когерентні волоконно-оптичні лінії зв'язку, де придатні тільки одномодові волокна. У багатомодовим оптичному волокні когерентність приймаються світлових хвиль падає, тому його використання в когерентних лініях зв'язку непрактично, що й зумовило застосування в подібних лініях тільки одномодових оптичних волокон.
Навпаки, хоча при використанні оптичних волокон для датчиків вищевказані фактори теж мають місце, але в багатьох випадках їх роль вже інша. Зокрема, при використанні оптичних волокон для когерентних вимірювань, коли з цих волокон формується інтерферометр, важливою перевагою одномодових волокон є можливість передачі інформації про фазу оптичної хвилі, що нездійсненно за допомогою багатомодових волокон. Отже, в даному випадку необхідно тільки одномодове оптичне волокно, як і в когерентних лініях зв'язку. Проте, на практиці застосування одномодового оптичного волокна при вимірюванні нетипово через невелику його дисперсії. Коротше кажучи, в сенсорній оптоелектроніці, за винятком датчиків-інтерферометрів, використовуються багатомодові оптичні волокна. Ця обставина пояснюється ще й тим, що в датчиках довжина використовуваних оптичних волокон значно менше, ніж в системах оптичного зв'язку.
Характеристики оптичного волокна як структурного елементу датчика і систем зв'язку
Перш ніж оцінювати значимість цих характеристик для обох областей застосування, відзначимо загальні гідності оптичних волокон:
* Широкосмугового (передбачається до декількох десятків терагерц);
* Малі втрати (мінімальні 0,154 дБ/км);
* Малий (близько 125 мкм) діаметр;
* Мала (приблизно 30 г/км) маса;
* Еластичність (мінімальний радіус вигину 2 MM);
* Механічна міцність (витримує навантаження на розрив приблизно 7 кг);
* Відсутність взаємного впливу (перехресних перешкод типу відомих в телефонії "перехідних розмов");
* Безиндукціонность (практично відсутній вплив електромагнітної індукції, а отже, і негативні явища, пов'язані з грозовими розрядами, близькістю до лінії електропередачі, імпульсами струму в силовий мережі);
* Вибухобезпечність (гарантується абсолютною нездатністю волокна бути причиною іскри);
* Висока електроізоляційна міцність (наприклад, волокно довжиною 20 см витримує напругу до 10000 B);
* Висока корозійна стійкість, особливо до хімічних розчинників, олив, воді.
В області оптичного зв'язку найбільш важливі такі гідності волокна, як широкосмугових і малі втрати, причому в будівництві внутрішньоміських мереж зв'язку поряд з цими властивостями особливого значення набувають малий діаметр і відсутність взаємного впливу, а в електрично несприятливого навколишнього середовища - безиндукціонность. Останні ж три властивості, в більшості випадків тут не відіграють якої-небудь помітної ролі.
У практиці використання волоконно-оптичних датчиків мають найбільше значення останні чотири властивості. Досить корисні і такі властивості, як еластичність, малі діаметр і маса. Широкосмужне ж і малі втрати значно підвищують можливості оптичних волокон, але далеко не завжди ці переваги усвідомлюються розробниками датчиків. Однак, з сучасної точки зору, у міру розширення функціональних можливостей волоконно-оптичних датчиків в найближчому майбутньому ця ситуація потроху виправиться.
Як буде показано нижче, у волоконно-оптичних датчиках оптичне волокно може бути застосоване просто як лінії передачі, а може грати роль самого чутливого елементу датчика. В останньому випадку використовуються чутливість волокна до електричного поля (ефект Керра), магнітного поля (ефект Фарадея), до вібрації, температури, тиску, деформацій (наприклад, до згину). Багато хто з цих ефектів в оптичних системах зв'язку оцінюються як недоліки, в датчиках ж їх поява вважається швидше перевагою, що слід розвивати.
Слід також відзначити, що оптичні волокна істотно покращують характеристики пристроїв, заснованих на ефекті Саньяка.
Класифікація волоконно-оптичних датчиків та приклади їх застосування
Сучасні волоконно-оптичні датчики дозволяють вимірювати майже все. Наприклад, тиск, температуру, відстань, положення в просторі, швидкість обертання, швидкість лінійного переміщення, прискорення, коливання, масу, звукові хвилі, рівень рідини, деформацію, коефіцієнт заломлення, електричне поле, електричний струм, магнітне поле, концентрацію газу, дозу радіаційного випромінювання і т.д.
Якщо класифікувати волоконно-оптичні датчики з точки зору застосування в них оптичного волокна, то, як вже було зазначено вище, їх можна грубо розділити на датчики, в яких оптичне волокно використовується як лінії передачі, і датчики, в яких воно використовується як чутливого елементу. Як видно з таблиці 1, в датчиках типу "лінії передачі" використовуються в основному багатомодові оптичні волокна, а в датчиках сенсорного типу найчастіше - одномодові.


Таблиця 1. Характеристики волоконно-оптичних датчиків
Структура
Вимірювана фізична величина
Використовуване фізичне явище, властивість
Детектіруемая величина
Оптичне волокно
Параметри та особливості вимірювань
Датчики з оптичним волокном як лінії передачі
Що проходить типу
Електрична напруга, напруженість електричного поля
Електрооптичний ефект
Складова поляризація
Багатомодове
1 ... 1000B; 0,1 ... 1000 В/см
Що проходить типу
Сила електричного струму, напруга магнітного поля
Ефект Фарадея
Кут поляризації
Багатомодове
Точність? 1% при 20 ... 85? З
Що проходить типу
Температура
Зміна поглинання напівпровідників
Інтенсивність пропускається світла
Багатомодове
-10 ... +300? С (точність? 1? С)
Що проходить типу
Температура
Зміна постійної люмінесценції
Інтенсивність пропускається світла
Багатомодове
0 ... 70? С (точність? 0,04? С)
Що проходить типу
Температура
Переривання оптичного шляху
Інтенсивність пропускається світла
Багатомодове
Режим "вкл/викл"
Що проходить типу
Гідроакустичне тиск
Повне відображення
Інтенсивність пропускається світла
Багатомодове
Чутливість ... 10 мПа
Що проходить типу
Прискорення
Фотоупругость
Інтенсивність пропускається світла
Багатомодове
Чутливість близько 1 Мg
Що проходить типу
Концентрація газу
Поглинання
Інтенсивність пропускається світла
Багатомодове
Дистанційне спостереження на відстані до 20 км
Відбивної типу
Звуковий тиск в атмосфері
Багатокомпонентна інтерференція
Інтенсивність відбитого світла
Багатомодове
Чутливість, характерна для конденсаторного мікрофона
Відбивної типу
Концентрація кисню в крові
Зміна спектральної характеристики
Інтенсивність відбитого світла
Пучкової
Доступ через катетер
Відбивної типу
Інтенсивність НВЧ-випромінювання
Зміна коефіцієнта відбиття рідкого кристала
Інтенсивність відбитого світла
Пучкової
Неруйнівний контроль
Антенного типу
Параметри високовольтних імпульсів
Випромінювання світловода
Інтенсивність пропускається світла
Багатомодове
Загальна тривалість фронту до 10 нс
Антенного типу
Температура
Інфрачервоне випромінювання
Інтенсивність пропускається світла
Інфрачервоне
250 ... 1200? С (точність? 1%)
Датчики з оптичним волокном як чутливого елемента
Кільцевій інтерферометр
Швидкість обертання
Ефект Саньяка
Фаза світлової хвилі
Одномодове
> 0,02?/Ч
Кільцевій інтерферометр
Сила електричного струму
Ефект Фарадея
Фаза світлової хвилі
Одномодове
Волокно з збереженням поляризації
Інтерферометр Маха-Цендера
Гідроакустичне тиск
Фотоупругость
Фаза світлової хвилі
Одномодове
1 ... 100 рад? Атм/м
Інтерферометр Маха-Цендера
Сила електричного струму, напруга магнітного поля
Магнітострикція
Фаза світлової хвилі
Одномодове
Чутливість 10-9 А/м
Інтерферометр Маха-Цендера
Сила електричного струму
Ефект Джоуля
Фаза світлової хвилі
Одномодове
Чутливість 10 мкА
Інтерферометр Маха-Цендера
Прискорення
Механічне стиск і розтяг
Фаза світлової хвилі
Одномодове
1000 рад/g
Інтерферометр Фабрі-Перо
Гідроакустичне тиск
Фотоупругость
Фаза світлової хвилі (поліінтерференція)
Одномодове
-
Інтерферометр Фабрі-Перо
Температура
Теплове стиск і розширення
Фаза світлової хвилі (поліінтерференція)
Одномодове
Висока чутливість
Інтерферометр Фабрі-Перо
Спектр випромінювання
Хвильова фільтрація
Інтенсивність пропускається світла
Одномодове
Висока роздільна здатність
Інтерферометр Майкельсона
Пульс, швидкість потоку крові
Ефект Доплера
Частота биття
Одномодове, багатомодове
10-4 ... 108 м/с
Інтерферометр на основі мод з ортогональної поляризацією
Гідроакустичне тиск
Фотоупругость
Фаза світлової хвилі
З збереженням поляризації
Без опорного оптичного волокна
Інтерферометр на основі мод з ортогональної поляризацією
Напруженість магнітного поля
Магнітострикція
Фаза світлової хвилі
З збереженням поляризації
Без опорного оптичного волокна
Неінтерферометріческая
Гідроакустичне тиск
Втрати на мікроізгібах волокна
Інтенсивність пропускається світла
Багатомодове
Чутливість 100 мПа
Неінтерферометріческая
Сила електричного струму, напруга магнітного поля
Ефект Фарадея
Кут поляризації
Одномодове
Необхідно враховувати ортогональні моди
Неінтерферометріческая
Швидкість потоку
Коливання волокна
Співвідношення інтенсивності між двома модами
Одномодове, багатомодове
> 0,3 м/с
Неінтерферометріческая
Доза радіоактивного випромінювання
Формування центру фарбування
Інтенсивність пропускається світла
Багатомодове
0,01 ... 1,00 Мрад
Послідовного та паралельного типу
Розподіл температури та деформації
Зворотне розсіювання Релея
Інтенсивність зворотного розсіювання Релея
Багатомодове
Роздільна здатність 1 м
Рис. 5. Волоконно-оптичний датчик проходить типу.


Рис. 7. Волоконно-оптичний датчик антенного типу.

Рис. 6. Волоконно-оптичний датчик відбивної типу.
Коротка історія досліджень і розробок
В історії волоконно-оптичних датчиків важко зафіксувати якийсь початковий момент, на відміну від історії волоконно-оптичних ліній зв'язку. Перші публікації про проекти та експериментах з вимірювальною технікою, в якій використовувалося б оптичне волокно, почали з'являтися з 1973 р., а в другій половині 1970-х років їх число значно збільшилося. У 1978 році Немото Тосіо запропонував загальну класифікацію волоконно-оптичних датчиків (рис. 4.), Яка мало відрізняється від сучасної. З настанням 1980-х років історія розвитку волоконно-оптичних датчиків обростає значними подробицями.
Висновок

Рис.4. Класифікація основних структур волоконно-оптичних датчиків:
а) зі зміною характеристик волокна (у тому числі спеціальних волокон)
б) зі зміною параметрів переданого світла
в) з чутливим елементом на торці волокна
Основними елементами волоконно-оптичного датчика, як можна помітити з табл. 1, є оптичне волокно, світловипромінюючі (джерело світла) та світлоприймальної пристрої, оптичний чутливий елемент. Крім того, спеціальні лінії необхідні для зв'язку між цими елементами або для формування вимірювальної системи з датчиком. Далі, для практичного впровадження волоконно-оптичних датчиків необхідні елементи системної техніки, які в сукупності з вищезгаданими елементами і лінією зв'язку утворюють вимірювальну систему.
Список літератури
Окосі Т. та ін Волоконно-оптичні датчики.
Зміст
Вступ
Волоконно-оптичні датчики
Від електричних вимірювань до електронних
Від аналогових вимірювань для цифрових
Ціфрізація та волоконно-оптичні датчики
Становлення оптоелектроніки і поява оптичних волокон
Лазери і становлення оптоелектроніки
Поява оптичних волокон
Одно-та багатомодові оптичні волокна.
Характеристики оптичного волокна як структурного елементу датчика і систем зв'язку
Класифікація волоконно-оптичних датчиків та приклади їх застосування
Датчики з оптичним волокном як лінії передачі
Датчики з оптичним волокном як чутливого елемента
Коротка історія досліджень і розробок
Висновок
Список літератури
Зміст

2