Волоконно-оптические датчики

Первые попытки создания датчиков на основе оптических волокон можно отнести к середине 1970-х годов. Как показано в гл. 1 этой книги, 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. \

Настоящая книга создайа с целью систематизации сведений о различных аспектах этой ново» области техники. За написание различных глав энергично взялись пять компетентных ученых-исследователей, а поскольку здесь представлены все современные направления в данной области, то вполне можно считать эту книгу своеобразным учебником.

При написании книги сначала в ходе дискуссии коллектива авторов был уточнен план изложения и определено содержание глав. Каждый автор написал отдельную главу. Затем руководитель авторского коллектива прочел все главы, заботясь об убедительности аргументации, о стройности и единстве стиля изложения.

Автор первой главы - Т. Окоси, второй-К. Окамото, третьей -М. Оцу, четвертой -X. Нисихара, пятой -К. Кюма, шестой и седьмой - К. Хататэ.

Книга как бы делится на две части. Первая (гл. 2-5; гл. 1 -вводная) касается основных элементов и устройств волоконно-оптической техники, т. е. оптического волокна, свето-излучающих и светоприемных приборов, оптических схем и элементов оптических датчиков. Во второй части (гл. 6, 7) описываются сами датчики и измерительные системы на них. Глава пятая относится к обеим частям книги. Читатели, уже имеющие представление о приборах и элементах волоконно-оптической техники, смогут получить новые сведения о сенсорной технике в целом.

Поскольку каждая глава в книге более или менее самостоятельна, порядок чтения безразличен. Например, читатель, в общих чертах знакомый с приборами и элементами волоконно-оптической техники, может начинать чтение с гл. 5 и лишь после гл. 7 вернуться к началу книги. Либо можно читать все главы в наиболее приемлемом для себя порядке, и уж, конечно, вполне резонно читать книгу в обычной последовательности.

Как бы там ни было, авторы единодушно желали сделать книгу удобной для любой работы и пригодной для чтения в произвольном порядке с учетом подготовленности читателя.

От имени авторов Таканори Окоси

1 июля 1986 года

Глава первая ОБЩИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ ФОН РАЗВИТИЯ

1.1. ВВЕДЕНИЕ

1.1.1. 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 более 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.

1.1.2. От аналоговых измерений к цифровым. Однако между электронными измерениями, которые производились в 1950-е годы, и электронными измерениями 1980-х годов большая разница. Суть ее заключается в том, что во многие измерительные приборы введена цифровая техника.

Обычно электронный измерительный прибор имеет структуру, подобную изображенной на рис. 1.1. Здесь датчик в слу-

Измеряемая 1ризическая величина

Датчик

Блок обработки данных

Индикатор

К другим приборам

Рис. 1.1. Типовая структура электронного измерителя

чае 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.

1.1.3. Цифрнзация и волоконно-оптические датчики. История волоконно-оптических датчиков кратко излагается чуть ниже (см. § 1.4), но важно отметить, что одним из этапов их развития было функциональное расширение операций, выполняемых в блоке обработки данных датчика, путем их цифриза-ции 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 циф-ризации 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 взрывоподобное развитие оптической электроники и волоконно-оптической техники связи.

1.2. СТАНОВЛЕНИЕ ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ И ПОЯВЛЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН

1.2.1. Лазеры и становление оптоэлектроники. Оптоэлектро-ника - это новая область науки и техники, которая появилась на стыке оптики и электроники. Следует заметить, что в развитии радиотехники с самого начала XX 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 (Loeb-пег Е. Е. Optoelectronic devices and networks Proc. IEEE. 1955. V. 43. N 12. P. 1897-1906) описал потенциальные параметры различных оптоэлектронных устройств связи, нынче нывае-мых оптронами, т. е. когда были обсуждены основные характеристики соединения оптического и электронного устройств.

С тех пор оптоэлектроника непрерывно развивается, и полагают, что до конца XX века она превратится в огромную от-

1000 500

100 50

• Кбарцебое стекло

о Многокомпонентное стекло

©Стекло на осноВе оксидов германия

о фтористое стекло д Халькогешдное стекло а Галогенное стекло

-J-1-1-1-1 L

196в 1970 1972 1974 1976 1978 19в0 1932 Ш Ш Годы

Рис. 1.2. Снижение минимальных потерь передачи для различных типов оптических волокон

расль 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.

1.2.2. Появление оптических волокон. Важным моментом в развитии оптоэлектроники является создание оптических волокон. В Японии об этих волокнах и об их потенциальных возможностях было заявлено в патенте Сэки Нэгиси (1936 г., о стеклянном волноводе) и в патенте Нисидзава Сасаки (1964 г., об оптических линиях с фокусирующими свойствами). Но особенно интенсивными исследования стали в конце 1960-х 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.

На рис. 1.2 показано снижение минимальных потерь передачи для различных оптических волокон на протяжении минувших десяти с лишним лет. 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 ие 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.

1.2.3. Одно- и многомодовые оптические волокна. Оптическое волокно обычно бывает одного из двух типов: одномодо-вое, в котором распространяется только одна мода (тип распределения передаваемого электромагнитного поля), и мно-гомодовое - 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 (рис. 1.3).

В технике используются как многомодовые, так и одномо-довые 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