Волоконно-оптические датчики с волокном в качестве чувствительного элемента

Рассмотрим принцип работы датчиков с оптическим волокном в качестве чувствительного элемента. Это датчики типа интерферометра, датчики на основе изменения потерь, датчики распределения (последовательного и параллельного типа).

На основе изменения фазы световой волны, распространяющейся по оптическому волокну, 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.

Для работы волоконно-оптического чувствительного элемента датчика можно использовать изменение фазы распространяющейся по оптическому волокну волны, поляризации, угла вращения плоскости поляризации, изменение потерь, явление рассеяния света под воздействием внешних факторов.

Классификация систем чувствительных элементов на оптическом волокне приведена на рис. 23.1. На рис. 23.1, а представлена схема интерферометра с оптическим трактом, реализованным на одномодовом волокне либо на одномодовом волокне с сохранением поляризации. В одномодовом оптическом волокне распространяется только мода НЕ₁₁, являющаяся основной. Эта мода приближенно может считаться линейно поляризованной, причем распределение интенсивности в поперечном сечении луча подчиняется закону Гаусса, что позволяет сравнительно просто добиться устойчивой интерференции. В действительности же в обычном многомодовом оптическом волокне возможно распространение двух мод НЕ₁₁ с ортогональной поляризацией. При этом в силу неидеально круглой формы поперечного сечения оптического волокна между модами возникает разность фаз, в результате чего выходящий из оптического волокна свет обычно становится эллиптически поляризованным.

В интерферометре при таких условиях интерференционные полосы оказываются размытыми, поэтому необходим ввод поляризатора или использование оптического волокна с сохранением поляризации. Кроме того, в датчиках типа интерферометра, как правило, требуется принимать меры против дрейфа нуля, изменения масштабного коэффициента, ухудшения линейности. Интерференционное измерение - измерение расстояний в длинах световых волн или времени в периодах световой волны обычно гарантирует высокую чувствительность. Использование оптического волокна в виде кольца с большим количеством витков увеличивает протяженность связи с измеряемым объектом и позволяет тем самым еще больше повысить чувствительность датчика.

В датчиках типа интерферометра наиболее типичными измеряемыми величинами являются температура, длина, давление. В соответствии с их колебаниями изменяется длина и коэффициент преломления оптического волокна, а в результате изменяется и фаза распространяющегося в нем света. Измеряемые величины преобразуются в любую из указанных трех величин, например, с помощью нанесенного на оптическое волокно соответствующего покрытия. Разработаны амперметры на оптическом волокне с алюминиевым покрытием, акселерометр со сжатием (или растяжением) оптического волокна от перемещения груза, измерители напряженности магнитного поля и напряженности электрического поля - с покрытием оптического волокна соответственно из магнитострикционного и электрострикционного материала или с оптическим волокном, намотанным на цилиндр из этих материалов. Кроме того, возможны различные другие конструкции подобных датчиков на оптическом волокне.

На рис. 23.1, б представлена схема датчика, в котором используется вращение плоскости поляризации. Он соответствует измерителю тока или напряженности магнитного поля на эффекте Фарадея.

Показанный на рис. 23.1, в чувствительный элемент на основе изменения потерь применяется его в датчике давления, концентрации газа и радиоактивного излучения.

На рис. 23.1, г представлена схема датчика распределения, измеряющего коэффициент отражения методом наблюдения за формой отраженного сигнала. Этот метод был разработан с целью обнаружения мест разрыва оптического волокна в линии связи и определения потерь вдоль оптического волокна. Он предусматривает измерение очень слабого света обратного рэлеевского рассеяния в системе с высоким отношением сигнал/шум.