|
| |
|
Слаботочка Книги нечувствительности устройства в области низких частот изменения ВВФ. Важнейшее применение фазовая модуляция находит в лазерном волоконно-оптическом гироскопе - устройстве для измерения малых скоростей вращения. В основе принципа действия этого устройства лежит эффект Саньяка (открыт в 1913 г.), заключающийся в возникновении фазового сдвига волны, распространяющейся внутри движущегося объекта. Если в торцы волоконно-оптической катушки (рис. 7.19) ввести две волны с одинаковыми фазой и поляризацией, то при вращении катушки поток, движущийся в направлении вращения, будет оставаться в волокне несколько дольше, чем поток, направленный навстречу вращению. Возникающая при выходе этих потоков из волокна разность фаз эвристически определяется соотношением Дфе = 4 я RL Q/iX с) = 8 я 5Л/ Q/{% с), (7.18) где R и S = nR - радиус и площадь витка; L - длина волокна в катушке; Л-число витков; К - длина волны излучения; с-скорость света в вакууме; Q - угловая скорость вращения катушки. В (7.18) обращает на себя внимание то, что чувствительность прибора может безгранично увеличиваться до порога шумов за счет увеличения W и L при сохранении малых размеров катушки. Оценки показывают, что для разных по конструкции волоконных гироскопов предел чувствительности может составлять 10... 10"* град/ч. Поляризационные ВОД основаны на том, что в волокнах, изготовленных из оптически активного материала, поляризация проходящего излучения может изменяться под влиянием ВВФ. Наиболее характерные виды этого изменения связаны с фарадеевским вращением плоскости поляризации в магнитном поле и электрооптическим эффектом двулучепреломления. Согласно этому поляризационные ВОД используются для измерения напряженностей магнитного и электрического полей или воздействий, преобразующихся в изменения этих полей. Например, в измерителе тока силовых высоковольтных линий электропередач (рис. 7.20) индуцируемое током магнитное поле Н вызывает поворот плоскости поляризации на угол A0VNI, (7.19) где V-постоянная Верде; N - число витков; /-сила тока. Чувствительность метода по току может составлять 10 А и менее. В заключение отметим, что .показанные на рисунках приборы представляют сильно упрощенные абстракции, иллюстрирующие принципы действия и не передающие всей сложности реальных оптических и оптоэлектронных схем. Укажем также, что .для каждого из описанных датчиков имеется много конструктивных разновидностей, Б частности весьма плодотворным является дополнение ВОД интегрально-оптическими элементами, такими как расщепители, модуляторы, переключатели световых потоков.  Рис. 7.20. Поляризационный волоконно-оптический измеритель силы тока: / - лазер; 2 - поляризатор- 3, ff - оптические согласующие элементы; * -провод, по кото-?рому протекает ток; 5 - волоконно-оптический чувствительный элемент; 7 - анализатор; 8 - фотоприемник Оценка перспектив. Промышленную реализацию получили лишь оптопары с открытым оптичеоким каналом; все другие рассмотренные разновидности оптоэлектронных датчиков серийно все еще не производятся. О технических возможностях различных видов датчиков МОЖНО сказать следующее. Оптопары с открытым оптическим каналом, как уже отмечалось, используются в основном ка,к оптические лереключатели, т. е. служат для дискретного счета объектов, символов и т. т.; возможности этих приборов ограничены. Интегрально-оптические датчики, хотя и имеют более широкие функциональные возможности, также являются приборами ограниченного, неуниверсального применения. Обе разновидности датчиков подобны другим современным датчикам с дискретным ЧЭ, выгодно отличаясь от них использованием световых потоков для бесконтактного «ощупывания» анализируемых предметов, но проигрывая (например, микроэлектронным) в обработке слабых сигналов, поступающих от ЧЭ. Датчики с ВОЛС используют достоинства ВОЛС как средства связи ЧЭ с устройством обработки информации, не привнося ничего специфически оято-электронного в сам процесс извлечения первичной информации. Лишь развитие ВОД обещает кардинально изменить технику преобразования первичной информации благодаря следующим принципиальным достоинствам датчиков: объединение, конструктивно-технологическая интеграция в одном приборе чувствительного элемента (собственно датчика) и линий связи; иопользование всех отличительных достоинств ВОЛС (см. гл. 9); очень высокая чувствительность датчиков, обусловленная возможностью практически безграничного увеличения длины активной области (/,«100 км не предел) и использованием наиболее высокоточных интерференционных измерений); широкие возможности выбора материалов ЧЭ в рабочей области спектра, проявления электро- и магнитооптичеоких эф1фектов; миниатюрность, твердотельность, отсутствие подвижных механических деталей; 250 . электрическая и магнитная нейтральность датчика, бесконтакт-ность измерений, чем обусловлено отсутствие его обратной реакции на контролируемые среды и поля, пожаро- и взрьгвобезопас-ность; исключительная широта разновидностей ВВФ, которые могут регистрироваться с помощью ВОД, лри этом очень важно и то,, что во многих случаях имеет место прямое преобразование ВВФ в изменение свойств 43; возможность реализации не только точечных (как в традиционных датчиках), но и распределенных ЧЭ, что позволяет контролировать пространственное раюпределение ВВФ; возможность работы в жестких эксплуатационных условиях: при 1ВЫСОКИХ температурах (до 1000 К), в агрессивных средах и т. п.; использование технологических достижений в области ВОЛС и интегральной оптики для расширения производства и снижения стоимости ВОД. Несмотря на значимость достоинств ВОД промышленное освоение ироисходит медленнее, чем лрогнозировалось, что обусловлено нерешенностью и сложностью ряда проблем. Во-первых, это элементная база, которая по сравнению с уже развитой однотипной элементной базой ВОЛС должна подняться на качественно новый уровень. Необходимы волокна не только прозрачные, но и чувствительные ж заданным ВВФ; инжекционные лазеры по когерентности излучения должны достигнуть уровня лучших газовых лазеров; обязательно создание миниатюрных гетеродинных фотоприемников; пассив.ные оптические элементы - ответвители, соединители, переключатели и т. п. - должны сочетать миниатюрность и строгую воспроизводимость свойств. Важнейшая конструкторская проблема - преодоление противоречивости требований к ЧЭ (незащищенность волокна, иепосредствен-ный контакт с контролируемой средой, максимальная передача ВВФ в материал волокна) и к частям датчика, выполняющим функцию ВОЛС. Во-вторых, это гибридность большинства конструкций ВОД, сложность оптической юстировки. Комплексной - физической, конструкторской, схемотехнической - является проблема повышения избирательности ВОД, способности реагирования на заданный ВВФ при невосприимчивости к остальным. Среди возможных путей развития ВОД в более отдаленной перспективе, по-видимому, следует выделить: решение задачи извлечения первичной информации комплексно, на системном уровне, и в первую очередь существенное повышение роли обработки информации в самом датчике (использо-ъание таких возможностей оптики, как фильтрация, преобразование Фурье, встраивание микропроцессоров, мультиплексирование в каналах связи и др.); создание универсального ВОД, способного регистрировать несколько ВВФ с высокой избирательностью каждого из них; 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 [82] 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 |