Волоконно-оптичні датчики

Перші спроби створення датчиків на основі оптичних волокон можна віднести до середини 1970-х років. Публікації про більш менш прийнятні розробки і експериментальні зразки подібних датчиків з'явилися в другій половині 1970-х років. Проте вважається, що цей тип датчиків сформувався як один з напрямів 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 у області електротехніки на основі теорії електромагнетизму і ланцюгів змінного струму. До цього фізичні величини вимірювалися головним чином механічними засобами, а самі механічні вимірювання поширені трохи. Електричні ж вимірювання обмежувалися ледве 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 прилади електровимірювань, принцип роботи яких заснований на силах взаємодії електричного струму і магнітного поля (закон Біо — Совара). Тоді ж ці прилади упроваджувалися в промисловість, що швидко розвивається. Особливість періоду у тому, що наука і техніка, причетні до приладів електровимірювань, стають ядром метрології і вимірювальної індустрії.

Після другої світової війни значні успіхи в розвитку електроніки привели до величезних змін в метрології. У п'ятдесятих роках з'явилися осцилографи, що містять від декількох десятків до сотні і більш електронних ламп і володіють вельми високими функціональними можливостями, а також цілий ряд подібних пристроїв, які стали широко застосовуватися у сфері виробництва і наукових досліджень. Так наступила ера електронних вимірювань. Сьогодні, після 30 років, значно змінилася елементна база вимірювальних приладів. Від електронних ламп перейшли до транзисторів, інтегральних схем (ІС), великих ІС (БІС). Таким чином, і сьогодні електроніка є основою вимірювальної техніки.

Від аналогових вимірювань до цифрових

Проте між електронними вимірюваннями, які вироблялися в 1950-е роки, і електронними вимірюваннями 1980-х років велика різниця. Суть її полягає у тому, що в багато вимірювальних приладів введена цифрова техніка.

Звичайно електронний вимірювальний прилад має структуру, подібну зображеною на мал. 1. Тут датчик у разі вимірювання електричної величини (електричний струм або напруга) особливої ролі не грає, і досить часто вихідним пристроєм такого вимірника є індикатор. Проте при використовуванні подібного приладу в якій-небудь вимірювальній системі суцільно і поряд доводиться стикатися з необхідністю обробки сигналу різними електронними схемами. Упровадження цифрової вимірювальної техніки має на увазі в ідеалі, що цифровий сигнал поступає безпосередньо від чутливого елементу датчика. Але поки це швидше рідкість, ніж правило. Найчастіше ж цей сигнал має аналогову форму, і для нього на вході блоку обробки даних встановлений аналого-цифровий перетворювач (АЦП). Цифрова ж техніка використовується головним чином в блоці обробки даних і у вихідному пристрої (індикаторі) або в одному з них.

Мал. 1. Типова структура електронного вимірника

Основна перевага використовування цифрової техніки в процесі обробки даних — це порівняльно проста реалізація операцій високого рівня, які важке осуществіми за допомогою аналогових пристроїв. До таких операцій відносяться придушення шумів, усереднювання, нелінійна обробка, інтегральні перетворення і ін. При цьому функціональне навантаження на чутливий елемент датчика зменшується і знижуються вимоги до характеристик елементу. Крім того, завдяки цифровій обробці стає можливим вимірювання вельми малих величин.

Цифрізация і волоконно-оптичні датчики

Важливо відзначити, що одним з етапів розвитку волоконно-оптичних датчиків було функціональне розширення операцій, виконуваних в блоці обробки даних датчика, шляхом них цифрізациі і, що особливо істотне, спрощення операцій нелінійного типу. Адже у волоконно-оптичних датчиках лінійність вихідного сигналу щодо вимірюваної фізичної величини досить часто незадовільна. Завдяки ж цифрізациі обробки ця проблема тепер частково або повністю розв'язується.

Годі і говорити, що важливий стимул появи волоконно-оптичних датчиків — створення самих оптичних волокон, про яких буде розказано нижче, а також вибухоподібний розвиток оптичної електроніки і волоконно-оптичної техніки зв'язку.

Становлення оптоелектроніки і поява оптичних волокон

Лазери і становлення оптоелектроніки

Мал. 2. Зниження мінімальних втрат передачі для різних типів оптичних волокон

Оптоелектроніка — це нова область науки і техніки, яка з'явилася на стику оптики і електроніки. Слід помітити, що в розвитку радіотехніки з самого початку ХХ століття постійно простежувалася тенденція освоєння електромагнітних хвиль все більш високої частоти. Витікаюче з цього факту припущення, що одного разу радіотехніка і електроніка досягнуть оптичного діапазону хвиль, стає все більш і більш достовірним, починаючи з 1950-х років. Роком виникнення оптоелектроніки можна рахувати 1955-й, коли Е. Лоєбнер (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 оптронами, тобто коли були обговорені основні характеристики з'єднання оптичного і електронного пристроїв.

З тих пір оптоелектроніка безперервно розвивається, і вважають, що до кінця ХХ століття вона перетвориться на величезну галузь науки і техніки, сумірну з електронікою. Поява на початку 1960-х років лазерів сприяла прискоренню розвитку оптоелектроніки. Потенційні характеристики лазерів описані ще в 1958 р., а вже в 1960 р. був створений найперший лазер — газовий, на основі суміші гелію і Неону. Генеруючі безперервне випромінювання при кімнатній температурі напівпровідникові лазери, які в даний час одержали найширше застосування, стали випускатися з 1970 р.

Поява оптичних волокон

Важливим