Волоконно-оптический входной зонд

Коэффициент протяжки

Vo " Vi

Волоконно-оптический

ВЫХОДНОЙ ЗОНД

Блок обработки сигнала

Волоконно-оптический зонд

К рычагам

ГИЛЬОТИНЫ

I Оптический датчик

Гильотина

Рис. 5.28. Лазерный доплеровский измеритель скорости твердого тела

ностью коэффициент сжатия изделия. Кроме того, с помощью лазерного доплеровского измерителя скорости можно определять длину металлического листа или трубы, интегрируя сигнал скорости по времени (рис. 5.28, б).

5.5.4. Измеритель микроколебаиий. Лазерный доплеровский измеритель скорости можно применять и для измерения амплитуды микроколебаний, например менее 0,8 мкм для твердых тел, колеблющихся с частотой 120 Гц. Можно, в частности, как показано на рис. 5.29, непосредственно наблюдать характер распространения поверхностной акустической волны (ПАВ). В ПАВ-элементе на кристалле LiNbOs при частоте 34 МГц наблюдали минимальные смещения поверхности ЗЮ" А.

Если твердое тело колеблется по закону u = UosinQi, то его мгновенная скорость v=duldt=UoQ cos Qt, т. е. пропорциональна частоте колебаний. Следовательно, увеличивая частоту Q, можно измерять мизерные амплитуды «с.

Зеркало

Ультразвуковой Линза опорный свет модулятор света

Расщепитель луча

Ампл итуда

фаза

Ответвитель

Возбудитель ПАВ

ПАВ-элемент

Рис. 5.29. Лазерный доплеровский измеритель скорости микросмещений поверхностной акустической волны

5.5.5. Измеритель скорости сыпучих или жидких тел. Такие особенности волоконно-оптического лазерного доплеровского измерителя скорости, как мизерный диаметр волокна и отсутствие электрического воздействия на организм, позволили разработать на его основе установку для измерения скорости артериального потока крови (рис. 5.30). В оптической системе формируется сигнальный луч рассеянного красными тельцами света. Посредством ультразвуковой модуляции света формируется опорный луч, сдвинутый по частоте относительно лазерного на ffl, что позволяет не только измерять скорость, но и определять направление потока крови. При этом частота биений \ь (сигнал биений, обнаруживаемый методом гетеродинирования с помощью лавинного фотодиода) с учетом формулы (5.21) определяется как

fb = /B +

COS 6.

(5.25)

Диапазон измерения скорости потока крови данной установкой от 4 см/с до 10 м/с с точностью ±5 %, пространственное разрешение 100 мкм. Имеются сообщения о результатах измерения потоков крови в артериях бедра собаки. Кроме того, разработан лазерный доплеровский измеритель скорости с мощным аргоновым лазером в качестве источника света (мощность

Расщепитель луча

Гелий-неоновый лазер

Ультразвуковой модулятор

света I

Зеркало

\\ " Линза

I I / Волоконно-о

Ч-------M-s

о-оптический зонд

8 регистрирующее устррйство

Развертка спектра

Анализатор спектра

Индикатор

Индикатор

Лавинный фотодиод

Управление от манипулятора

Нейлоновая оболочка Гепарин

Входной патрубок Волокно

Приспособление (направляющая)

Рис. 5.30. Установка для измерения скорости потока крови на основе лазерного доплеровского измерителя скорости (а) и конструкции наконечника волоконно-оптического катетера (б)

излучения 2 Вт, Х = 514,5 нм), позволяющий измерять скорость очень слабых газовых потоков. Разработаны также малогабаритные, легкие, долговечные и дешевые полупроводниковые лазеры, поэтому в ближайшем будущем можно ожидать более широкого применения лазерных доплеровских волоконно-оптических измерителей скорости.

5.6. ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ

Говоря о преимуществах волоконно-оптических датчиков, необходимо отметить, что с их появлением расширились возможности измерений, а также повысилось их качество.

5.6.1. Энергетика. Преимущество использования волоконно-оптических датчиков в энергетике обеспечивается их высокими электро- и теплоизоляционными характеристиками, безынерци-онностью, малыми габаритами, массой и т. д. На основе таких датчиков, а именно лучеводов изображения, созданы системы наблюдения внутри топок тепловых электростанций, устройства для измерения температуры проводов линий передачи и внутри трансформаторов, для контроля за количеством масла в масло-наполненном кабеле, измерители скорости ветра и определители его направления в системах наблюдения за атмосферными явлениями, оптические трансформаторы напряжения, работающие на эффекте Поккельса, и оптические трансформаторы тока, работающие на эффекте Фарадея.

5.6.2. Промышленность. В металлургии, химической и нефтеперерабатывающей отраслях зачастую датчики работают в неблагоприятных условиях: повышенные или пониженные температуры, агрессивные среды, сильные электрические и магнитные поля, взрывоопасная атмосфера. Именно здесь волоконно-оптические датчики с их бесконтактностью и дистанционностью измерений, а также стойкостью к окружающей среде имеют особое преимущество. В цветной и черной металлургии уже нашли применение лазерные доплеровские измерители скорости, лучевые термометры, лучеводы изображения, сканирующие дефектоскопы поверхности металла и т. д. В нефтеперерабатывающей промышленности используются, например, волоконно-оптические датчики утечки. На рис. 5.31 представлена схематически система измерений и управления с использованием волоконно-оптических датчиков и локальной сети на оптических волокнах, связывающей имеющиеся на предприятии ЭВМ и обеспечивающей быстрый обмен информацией.

В современном машиностроении по мере автоматизации производства и повышения точности обработки возрастают требования к точности и скорости измерений. Преимущества применения в этой отрасли волоконно-оптических датчиков перед датчиками других типов следующие: бесконтактность и дистанци-онность измерений, безындуктивность и высокая пространственная разрешающая способность. Здесь нашли применение такие датчики, как фотопрерыватели, кодеры, измерители смещения на основе многожильного волоконно-оптического кабеля, инерционные измерители ускорения и т. д.

5.6.3. Медицина. Высокая пространственная разрешающая способность при измерениях с лазером, безындуктивность,

Селекторны-. переключатель

Волоконно-оптический кабель

Терминалы с дисплеями Датчик скорости

Температурный датчик Газовый датчик Система измерений и управлении

Рис. 5.31. Система измерений и управления с локальной вычислительной сетью на оптических волокнах

химическая и биологическая стойкость, гибкость и малый диаметр оптического волокна стимулировали разработку волоконно-оптических датчиков специально для медицины и биологических исследований. Уже применяются датчики насыщенности крови кислородом, датчики рН, лазерный доплеровский измеритель скорости потока крови, фотокардиограф и измеритель давления крови.

5.7. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В этой главе рассмотрены датчики с использованием оптического волокна для передачи сигнала. Поскольку в большинстве случаев они включают в себя многомодовые оптические во-176

локна, светоизлучающие диоды и элементы оптических схем, технология изготовления и эксплуатация которых уже утвердилась, то характеристики датчика определяются в основном свойствами материала и конструкцией чувствительной части. Датчики этой системы уже нашли широкое применение в силу очевидных преимуществ перед традиционными датчиками. Одна из существенных, но решаемых проблем - уменьшение стои-MQCTH изготовления.

Глава шестая

ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ С ВОЛОКНОМ В КАЧЕСТВЕ ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА

6.1. ВВЕДЕНИЕ

В предыдущей главе речь шла о датчиках с оптическим волокном в качестве линии передачи. В данной главе описаны датчики с оптическим волокном в качестве самого чувствительного элемента. Прежде всего вкратце рассмотрены функции волоконно-оптических чувствительных элементов и практические структуры датчиков на их основе. Вслед за этим представлены принцип работы и конкретные примеры датчиков типа интерферометра, на основе изменения потерь, датчики распределения (последовательного и параллельного типа). Среди этих датчиков наибольшее внимание уделено интерферометрическим, на базе которых могут быть созданы высокочувствительные системы измерения звуковых волн, магнитного поля, температуры и т. д. Волоконно-оптический гироскоп также относится к датчикам типа интерферометра, но он будет рассмотрен отдельно, в гл. 7.

На основе изменения фазы распространяющейся по оптическому волокну световой волны можно создать волоконно-оптический интерферометр для высокоточных измерений различных величин: давления, температуры, напряженности магнитного и электрического поля, электрического тока и напряжения, расхода вещества и др. На основе изменения потерь на микроизгибах волокна можно создать датчик давления и другие, а датчики, реагирующие на изменение потерь передачи, могут служить для измерения параметров радиоактивного излучения. В последнее время ведутся разработки датчиков распределения на основе оптического измерения коэффициента отражения путем наблюдения за формой отраженного сигнала (метод OTDR - Optical Time Domain Reflectometry).