21465

Двухчастотные лазерные интерферометры

Лекция

Физика

Все оснащение лазерной измерительной головки заключающееся в системе программного и инструментального обеспечения измерения предназначено для линейных и угловые измерений измерения плоскостности измерения прямолинейности измерения взаимоперпендикулярности и измерения скорости перемещения. Дискрет измерения равен  при статистической обработке сигнала fd его можно уменьшить в 10 раз. Таким образом дискретность измерения интерферометра не превышает 001 мкм. Чтобы исключить ошибку связанную с температурным расширением основания на...

Русский

2013-08-02

1.42 MB

42 чел.

2

PAGE  2

Лекция №5 Двухчастотные лазерные интерферометры

Введение

Лазерный, двухчастотный интерферометр, впервые был разработан специалистами фирмы Hullett-Packard. Целью создания интерферометра, этого типа было обеспечение измерений, не только перемещений и расстояний, но также скорости перемещения отражателя. Двухчастотная схема этого интерферометра позволяет фиксировать изменение направления движения отражателя. Таким образом, функциональное отличие этого типа интерферометра от известных одночастотных заключается в значительном расширении измерительных возможностей. Принципиальное отличие этого интерферометра заключается в использовании двухчастотного лазера со стабилизированной разностной частотой. Как правило, в качестве такого лазера используется He-Ne лазер с зеемановским расщеплением линии излучения. Величина расщепления, как правило, не превышает двух мегагерц и определяет максимальную величину измеряемой скорости движения. Две расщепленные волны, кроме того, что отличаются оптическими частотами, имеют взаимно ортогональные поляризации. В этой связи, все оптические элементы интерферометра имеют поляризационные покрытия, обеспечивающие разделение частот в пространстве.

В состав двухчастотного интерферометра входят: оптическая система совместно с двухчастотным лазером, система компенсации длины волны излучения, компьютер РС вместе с программным обеспечением, а также дополнительные оптические приспособления. Все оснащение лазерной измерительной головки, заключающееся в системе программного и инструментального обеспечения измерения, предназначено для линейных и угловые измерений, измерения плоскостности, измерения прямолинейности, измерения взаимоперпендикулярности и измерения скорости перемещения. Оптические приспособления меняются в зависимости от проводимых измерений. В комплект входят: оптика для измерений линейных, оптика для измерений угловых, оптика для измерений прямолинейности и оптика для измерений взаимоперпендикулярности.

Компьютер РС обеспечивает визуализацию и обработку результатов измерений.

Целью настоящей лекции изучение устройства и принципов работы описанного двухчастотного измерительного интерферометра.

Общая характеристика интерферометра

Общая структура двухчастотного интерферометра представлена на Рис.1.

Рис.1

1 – лазерная трубка; 2 – нагреватель; 3 – магнит; 4 – неполяризационный разделитель пучка; 5 – пластинка ; 6 – пластинка 2; 7 – коллиматор; 8 – магнитный компенсатор; 9 – жидкокристаллическая ячейка; 10-фотодетекторы; 11-поляризаторы; 12 - узкополосные усилители; 13 – поляризационный делительный кубик с опорной отражательной призмой; 14 - рабочая перемещаемая отражательная призма;  

Следуя структурной схеме приведенной на рисунке 1 можно выделить две основные оптоэлектронные части. Первая представлена в левой части схемы и обеспечивает стабилизацию частоты излучения лазера. Вторая обеспечивает выполнение измерений и их обработку.

В системе использован стандартный He-Ne лазер с длиной волны 632,8 нм с внутренними зеркалами, находящийся в продольное магнитное поле. Зеемановская частота лазера составляет около 1,6 МГц, а выходная мощность около 1 мВт.

Лазер стабилизируется по эффекту Зеемана. Встроенный жидкий кристалл переключает оптические частоты f1 и f2, которые подаются на фотодиод с частотой Fr = 800 Гц. Используемая система стабилизации частоты позволяет получить кратковременную   стабильность   не  хуже 10-9.  Опорная  зеемановская  частота Fz = f1 - f2, а измерительный сигнал имеет частоту Fz - fd . Дискрет измерения равен , при статистической обработке сигнала fd его можно уменьшить в 10 раз. Таким образом, дискретность измерения интерферометра не превышает 0,01 мкм. Более подробное описание системы стабилизации частоты излучения лазера, с зеемановском расщеплением частоты излучения, можно найти в специальной литературе [].

Принцип работы двухчастотного интерферометра заключается в следующем. Двухчастотное (f1 и f2) излучение лазера разделяется на обычном неполяризационном кубике. Одна часть мощности излучения лазера, меньшая, отводится на контрольный фотодетектор, а другая большая направляется в интерферометр. На контрольном фотодиоде выделяется разностная частота между оптическими частотами f1 и f2. Для обеспечения взаимодействия двух ортогонально поляризованных волн на поверхности фотодиода перед последним устанавливается поляризатор, таким образом, чтобы выделить компоненты относительно 45 градусного направления. После выделения сигнала на разностной частоте, он усиливается и передается на систему обработки результатов измерений. Поскольку система стабилизации частоты излучения лазера обеспечивает высокую стабильность разности между этими частотами, то ее можно использовать как опорное значение, относительно которого выполняются все остальные вычисления.

Используемые две пластины четверть волновая и полуволновая, которые установлены под углом 15 градусов к направлению распространения лазерного обеспечивают пространственную настройку поляризации лазерного излучения в соответствии с положением делительной призмы. Corner Cube Retro-Reflectors have three mutually perpendicular surfaces and a hypotenuse face.  It operates on the principle of total internal reflection(TIR).  A beam entering the effective aperture is reflected by the three roof surfaces and emerges from the entrance/exit surface parallel to itself.  This property is independent of orientation of the retro-reflector, within acceptance angle limitations.  For applications in which either the acceptance angle for TIR is exceeded, or the reflecting surfaces can not be kept sufficiently clean for TIR, a metal or dielectric coating can be applied to the reflecting surfaces.  

Поляризационный делительный кубик выполняет две функции. Во-первых, с его помощью, учитывая, что у каждой частоты своя поляризация, одна частота направляется на опорный ретро отражатель, другая перемещаемый отражатель. Во-вторых, эта призма объединяет частоты и направляет их на измерительный фотодиод. В связи с тем, что измерительная призма перемещается в процессе измерений, то за счет эффекта Доплера изменяется частота излучения. Поэтому разность частот на выходе делительной призмы будет изменена на величину связанную с со скорость и направлением перемещения отражателя.  

Полуволновые ФП c ВРХ (k+1/2) изменяют азимут электрического вектора в линейно

поляризованном излучении или направление его вращения в циркулярно-поляризованном

излучении. Четвертьволновые пластины с ВРХ (k+1/4) либо (k+3/4) превращают линейно

поляризованное излучение в циркулярно-поляризованное или при определенной

ориентации любое эллиптически поляризованное в линейное.

3.2. Система компенсации показателя преломления

Несмотря на то, что частота излучения лазера стабилизирована с высокой точностью, длина волны излучения в воздухе зависит от изменений показателя преломления воздуха. Изменение показателя преломления как функция изменения параметров атмосферы описывается уравнением [7]

n = 1 + (2,8793P·10-7)(1+0,003671T)·(4,2Pw·10-8),

где n – показатель преломления; P – атмосферное давление в hPa; T – температура воздуха в оС; Pw – парциальное давление паров воды в воздухе в hPa.

С целью получения высокой точности измерений, выполняемых лазерной системой LSP-30-Compact, показатель преломления в воздухе измеряется автоматически и корректируется значение длины волны лазерного излучения. Чтобы исключить ошибку, связанную с температурным расширением основания, на котором выполняются измерения, автоматически измеряется температура основания в нескольких местах.

Система компенсации показателя преломления гарантирует измерение параметров атмосферы и автоматическое вычисление параметра коррекции длины волны излучения. Измерение температуры основания станка с ЧПУ используется для коррекции результатов измерения относительно 20оС.

Измерение температуры воздуха и температуры основания в трех равноудаленных точках проводится в интервале 10-30оС, точность измерений составляет 0,1оС.

Атмосферное давление измеряется  в диапазоне  940-1060  hPa,  интервал  – 1 hPa, точность – 1 hPa.

Относительная влажность измеряется в диапазоне 10-90%, интервал между измерениями – 1%, точность – 5%.

Конфигурации интерферометра

 

В зависимости от характера проводимых измерений в лазерной измерительной системе используются четыре конфигурации элементов оптического интерферометра: оптика для линейных измерений, оптика для угловых измерений, оптика для измерения прямолинейности и оптика для измерения взаимоперпендикулярности [6].

ОПТИКА ДЛЯ ЛИНЕЙНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ

Излучение лазерной головки, делится на поверхности поляризационного делителя интерферометра на два луча (рис.3). Один луч частотой F1 проходит через интерферометр и отражается от подвижного ретрорефлектора. Второй луч частотой F2 отражается от ретрорефлектора относительно связанного с интерферометром. Оба луча после отражения направляются на измерительный детектор, находящийся в лазерной головке. В результате эффекта Допплера при перемещении измерительного ретрорефлектора изменяется частота луча F1 на Fd. На поверхности измерительного детектора оба луча F1 и F2 смешиваются. Измеренная разность этих частот отличается от зеемановской частоты, отнесенной  к частоте Допплера. Вычитая из измеренной частоты частоту отнесения, получаем сигнал частоты, зависящий от скорости перемещения ретрорефлектора. Этот сигнал даёт возможность определить величину перемещения измерительного ретрорефлектора.

Оптика для линейных измерений используется при измерении: расстояний скорости перемещения, расположения в оси машины и исследовании приводов (передач).

Рис.3

ОПТИКА ДЛЯ УГЛОВЫХ ИЗМЕРЕНИЙ

Оптическая схема угловых измерений представлена на рис.4. Здесь также  используются два луча с частотой F1 и F2. В угловом интерферометре полностью отражающее зеркало, установленное под углом 45о, используется вместо опорного ретрорефлектора. Оба луча частотой F1 и F2 проходят через интерферометр и

Рис.4

распространяются в параллельных направлениях. После отражений от угловых ретрорефлекторов лучи направляются на измерительный детектор, расположенный в лазерной головке. Угловое перемещение углового ретрорефлектора вызывает изменение частоты обоих отраженных лучей. Зная разницу частоты обоих отраженных лучей, можно вычислить разницу путей этих оптических лучей. Зная разницу оптических путей и расстояние между элементами  отражателя  ретрорефлектора  (для  системы LSP-30-Compact 2 дюйма), можно определить угловое перемещение ретрорефлектора.

Оптика для угловых измерений применяется в лазерных системах при измерении: угловых отклонений, прямолинейности, плоскостности поверхности и для позиционирования угловых смещений.

ОПТИКА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПРЯМОЛИНЕЙНОСТИ

Эта оптика позволяет измерять прямолинейность методом смещения. В оптической системе, представленной на рис.5, два луча частотой F1 и F2, исходящие из лазерной головки проходят через призму Волластона. Так как коэффициент преломления призмы разный для двух взаимоперпендикулярных плоскостей поляризации, на выходе призмы лучи излучения частотой F1 и F2 отклоняются под углом 0,5о. Лучи отражаются от двух зеркал и возвращаются к

 

Рис.5

призме и через оптическую систему смещения направляется на измерительный детектор. В такой оптической системе поперечные перемещения лучей призмой Волластона приводят к изменению оптического пути для лучей F1 и F2 и, соответственно, к изменению частоты этих лучей на величину fd. В описанной оптической схеме прямолинейность можно измерить как при перемещении призмы Волластона, так и  зеркал вдоль оси измерения.

ОПТИКА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВЗАИМОПЕРПЕНДИКУЛЯРНОСТИ ОСЕЙ

При измерении взаимоперпедикулярности осей используется оптика для измерения прямолинейности, а также эталон прямого угла, который отражает падающие на него лучи под прямым углом. Точность получения угла 90о составляет 0,4.

4. КОНТРОЛЬ МАШИН С ПОМОЩЬЮ ЛАЗЕРНОЙ СИСТЕМЫ LSP-30-COMPACT

Использование в машиностроении для повышения качества и производительности производства станков с ЧПУ и обрабатывающих центров ставит задачу контроля точности выполнения всех технологических операций этими машинами. Очень важным параметром для этих машин является точность позиционирования и точность геометрии перемещения. Эти параметры необходимо контролировать как при передачи машины изготовителем потребителю, так и периодически во время эксплуатации [1].

Основной проблемой, которая до последнего времени выступала в процессе проведения контроля машин, была погрешность позиционирования образцовых мер – линеек относительно исполнительных механизмов этих машин. Кроме этого, линейки обеспечивали требуемую точность измерений только на длинах до 1 м. Сейчас, с развитием и широким использованием лазерных интерферометров процесс контроля параметров машин можно сделать более объективным (за счет использования в качестве меры длины - длину волны излучения лазера), оперативным и всеобъемлющем.

2. Контролируемые параметры станков с ЧПУ.

Есть несколько разных нормативов, связанных с контролем параметров машин: NMTBA - СШA, VDI/DGO 3441 – Германия, JIS B 62XX – Япония, BSI BE 4656 - Англия, PN-93/M/-55580 - Польша, ISO/DIS 230 - Европейский Союз. Эти нормативы отличаются требованиями к порядку проведения и методикой обработки результатов измерений. В связи с установленной системой управления качеством ISO9000 стремится к единообразию нормативов и относительных международных нормативов ISO/DIS230.

Согласно польскому нормативу PN-93/M-55580 определен перечень контролируемых параметров [3]. При комплексном контроле параметров машин необходимо проверять следующие особенности формы, положения и перемещения линий либо поверхности машины: прямолинейность, плоскостность, параллельность (равноудалённость), взаимоперпендикулярность, оборот (обращение, поворот).

Различаются следующие проверки прямолинейности: прямолинейность линии на плоскости или в пространстве, прямолинейность части рабочей поверхности установки и прямолинейность движения.

В случае измерения паралельности, равноудалённости и соосности проводятся следующие измерения: равноудалённость линии и плоскости, паралельность перемещения, паралельность осей и соосность.

Рис.1

Здесь:

ЕХZ – отклонение линии по оси Х;

 EYZ – отклонение линии по оси Y;

 EZZ – отклонение позиционирования;

 EAZ – скачок;

 EBZ – сход с направления;

ECZ – вращение вдоль оси Z

Особенно важным вопросом при контроле машин является исследование прямолинейного перемещения каретки машины вдоль оси движения. Ошибки прямолинейного перемещения каретки машины можно охарактеризовать шестью параметрами отклонения: одно отклонение положения в направлении движения, два наклонения линейной траектории точки движущейся каретки, три отклонения угловых движущейся каретки. Все шесть параметров имеют одинаковое значение, так как ошибки позиционные, возникающие из нежелательных угловых перемещений или поступательных движений, могут быть больше чем ошибки позиционные на линейных осях. Отметим, что лазерный интерферометр используют для измерения пяти из шести вышеуказанных параметров: линейность или прямолинейность горизонтальная, прямолинейность вертикальная, прыжки и сходы с курса, а также перпендикулярность между двумя осями.

3. Лазерный интерферометр LSP-30-Compact

Лазерный интерферометр с различным типом оптического исполнения является измерительным прибором наилучшего класса, пригодным для контроля геометрических параметров станков.

Как првило комплексный контроль машин с числовым программным управлением должен состоять из следующих измерений: измерение точности позиционирования перемещаемого элемента вдоль каждой оси движения, определение скачков и схождения с курса для каждой оси, определение горизонтальной и вертикальной прямолинейности для каждой оси, контроль прямого угла между осями 2.

4.1. ПОЗИЦИОНИРОВАНИЕ ЛИНЕЙНОЕ

Определение линейного позиционирования выполняется по схеме, представленной на рис.6. Для измерения используется лазерная система в конфигурации: лазерная головка, система компенсации, компъютер с программой расчета позиционирования по ISO/DIS-230, оптика для линейных измерений.

Рис.6

При использовании лазерного интерферометра для проверки позиционирования машин можно ориентироваться на следующие параметры:

- диапазон измерения  -  030 м;

- цена деления  -  0,1 или 0,01 мкм;

- погрешность измерения  -  1,5 мкм/м.

Процесс определения позиции можно разделить на следующие этапы:

- составление измерительной схемы; установка и юстировка лазерной головки на неподвижном основании, установка ретрорефлектометра на подвижном столе машины;

- юстировка оптики на всем пути перемещения ретрорефлектометра;

- программирование порядка остановок машины, машина должна останавливаться в точках измерения на 1 с;

- цикл измерений включает в себя измерения как в прямом направлении движения подвижного элемента, так и в обратном направлении. В кажой точке остановки измеряется разность между фактическим значением и рассчетным значением координаты. Проводится не менее пяти циклов измерений, после чего осуществляется обработка полученных результатов;

- окончательный результат включает в себя такие параметры машины как воспроизводимость – Rpmax, люфт - Nmax и точность системы управления - Mar.

С одной установки лазерной головки, изменяя положение линейного интерферометра и ретрорефлектора, можно получить линейное позиционирование для трёх осей машины XYZ.

4.2 ПРЯМОЛИНЕЙНОСТЬ ГОРИЗОНТАЛЬНАЯ И ВЕРТИКАЛЬНАЯ

Определение горизонтальной прямолинейности выполняется по измерительной схеме, представленной на рис.7. Для измерений используется лазерная система в конфигурации: лазерная головка, компенсационная установка, компъютер РС с программой измерения прямолинейности, оптика для угловых измерений.

Рис.7

При использовании лазерного интерферометра можно получить следующие параметры прямолинейности:

- диапазон измерения  -  012 м;

- цена деления              -  0,3 мкм;

- точность измерений  -  3%.

Процесс измерения горизонтальной прямолинейности можно разделить на этапы:

- составление схемы измерения; установка и юстировка лазерной головки, установка вертикального углового интерферометра в неподвижной опоре станка, установка опоры ретрорефлектора углового на подвижном столе станка;

- проверка юстировки угловой оптики на всем пути перемещения ретрорефлектора;

- программирование управления машиной по положениям точек для измерения вдоль всего пути перемещения. Машина должна останавливаться в точках измерения на 1 с;

- выполнение циклов измерения; для каждого пункта измерения на основании выполненных с помощью лазерной системы измерений угловых отклонений получается отклонение от прямолинейности в мкм;

- получение графика отклонения от прямолинейности вдоль всего пути перемещения.

Измерение вертикальной прямолинейности выполняется по той же самой схеме измерения, необходимо сменить на 90о положение углового интерферометра и углового ретрорефлектора.

4.3. ПРЯМОУГОЛЬНОСТЬ МЕЖДУ ДВУМЯ ОСЯМИ

Измерение прямоугольности между осями X и Z машины выполняется по схеме, представленной на рис.8. Для измерений используется лазерная система в конфигурации: лазерная головка, компенсационная установка, компъютер РС с программой измерения прямоугольности, оптика для измерения прямоугольности.

При использовании лазерного интерферометра можно получить следующие измерительные параметры прямоугольности:

- диапазон измерения  -  03 м;

- точность измерения  -  1 арксек.

Процесс измерения прямоугольности между осями можно разделить на этапы:

- составление схемы измерения; установка и юстировка лазерной головки, установка призмы Волластона вместе ретрорефлектором в подвижные опоры машины (по оси Z), установка зеркал и эталона прямого угла отражателя на неподвижном столе машины (ось X);

- юстирование оптической схемы на всем пути перемещения призмы Волластона;

- программирование схемы управления машиной; вписание положения пунктов измерения вдоль всего пути перемещения ручек, машина должна останавливаться в точках измерения на 1 с;

- выполнение измерений отклонений от прямоугольности для всех пунктов измерения вдоль оси перемещения рукояток оси Z машины;

  •  получение графиков отклонения от прямоугольности между осями Х и Z вдоль всего пути перемещения.

Р

ис.8


EMBED Word.Picture.8  

EMBED Word.Picture.8  

EMBED Word.Picture.8  

12. DITEST-SO-N-SERIES — Multiple Channel Extension Module for Fiber Optic Distributed Monitoring // http://www.omnisens.ch/docs/1204645367_DT-SO-N-ENG-01.pdf

13. Aldo Minardo. Fiber-optic distributed strain/temperature sensors based on stimulated Brillouin scattering / http://www.dii.unina2.it/opto/publications/PhD_Thesis_Minardo.pdf

14. Anthony W. Brown, Bruce G. Colpitts, Kellie Brown. Dark-Pulse Brillouin Optical Time-Domain Sensor With 20-mm Spatial Resolution / Journal of Lightwave Technology, vol. 25, No. 1, January 2007

15. Jasenek J. Optical Time-Domain Reflectometry (OTDR) — conventional approach // The theory and application of the fiber optic sensors with spread parameters / THEIERE project No. 10063-CP-1-2000-1-PT-ERASMUS-ETNE http://www.eaeeie.org/theiere_bratislava/3.html

16. Kwang Yong Song, Kazuo Hotate. Distributed fiber strain sensor with 1-khz sampling rate based on brillouin optical correlation domain analysis / IEEE photonics technology letters, vol. 19, No. 23, December 1, 2007

17. He Zuyuan, Takahashi Hiroshi, Hotate Kazuo. Optical Coherence Domain Reflectometry Using Optical Frequency Comb / Technical report of IEICE. OFT 09135685 The Institute of Electronics, Information and Communication Engineers 20090521 109 59 55-60 http://ci.nii.ac.jp/naid/110007160725/ en/

Н.Ю. Ситнов,
Н.И. Горлов

Сибирский государственный университет
телекоммуникаций и информатики, г. Новосибирск

 http://infosfera.sfo.ru/articles.php?cat_id=25&id=586

Изменение спектральной характеристики

Интенсивность отраженного света

Пучковое

Доступ через катетер

Отражательного типа

Интенсивность СВЧ-излучения

Изменение коэффициента отражения жидкого кристалла

Интенсивность отраженного света

Пучковое

Неразрушающий контроль

Антенного типа

Параметры высоковольтных импульсов

Излучение световода

Интенсивность пропускаемого света

Многомодовое

Длительность фронта до 10 нс

Антенного типа

Температура

Инфракрасное излучение

Интенсивность пропускаемого света

Инфракрасное

250...1200° С (точность ±1%)

Датчики с оптическим волокном в качестве чувствительного элемента

Кольцевой интерферометр

Скорость вращения

Эффект Саньяка

Фаза световой волны

Одномодовое

>0,02 °/ч

Кольцевой интерферометр

Сила электрического тока

Эффект Фарадея

Фаза световой волны

Одномодовое

Волокно с сохранением поляризации

Интерферометр Маха-Цендера

Гидроакустическое давление

Фотоупругость

Фаза световой волны

Одномодовое

1...100 рад×атм/м

Интерферометр Маха-Цендера

Сила электрического тока, напряженность магнитного поля

Магнитострикция

Фаза световой волны

Одномодовое

Чувствительность 10-9 А/м

Интерферометр Маха-Цендера

Сила электрического тока

Эффект Джоуля

Фаза световой волны

Одномодовое

Чувствительность 10 мкА

Интерферометр Маха-Цендера

Ускорение

Механическое сжатие и растяжение

Фаза световой волны

Одномодовое

1000 рад/g

Интерферометр Фабри-Перо

Гидроакустическое давление

Фотоупругость

Фаза световой волны (полиинтерференция)

Одномодовое

Интерферометр Фабри-Перо

Температура

Тепловое сжатие и расширение

Фаза световой волны (полиинтерференция)

Одномодовое

Высокая чувствительность

Интерферометр Фабри-Перо

Спектр излучения

Волновая фильтрация

Интенсивность пропускаемого света

Одномодовое

Высокая разрешающая способность

Интерферометр Майкельсона

Пульс, скорость потока крови

Эффект Доплера

Частота биений

Одномодовое, многомодовое

10-4...108 м/с

Интерферометр на основе мод с ортогональной поляризацией

Гидроакустическое давление

Фотоупругость

Фаза световой волны

С сохранением поляризации

Без опорного оптического волокна

Интерферометр на основе мод с ортогональной поляризацией

Напряженность магнитного поля

Магнитострикция

Фаза световой волны

С сохранением поляризации

Без опорного оптического волокна

Неинтерферометрическая

Гидроакустическое давление

Потери на микроизгибах волокна

Интенсивность пропускаемого света

Многомодовое

Чувствительность 100 мПа

Неинтерферометрическая

Сила электрического тока, напряженность магнитного поля

Эффект Фарадея

Угол поляризации

Одномодовое

Необходимо учитывать ортогональные моды

Неинтерферометрическая

Скорость потока

Колебания волокна

Соотношение интенсивности между двумя модами

Одномодовое, многомодовое

>0,3 м/с

Неинтерферометрическая

Доза радиоактивного излучения

Формирование центра окрашивания

Интенсивность пропускаемого света

Многомодовое

0,01...1,00 Мрад

Последовательного и параллельного типа

Распределение температуры и деформации

Обратное рассеяние Релея

Интенсивность обратного рассеяния Релея

Многомодовое

Разрешающая способность 1 м

Условия реализации волоконных датчиков связаны с наличием оптической комплектации:

- оптическое волокно в различных спектральных диапазонах. Волокно с сохранением поляризации излучения;

- источники оптического (в том числе и в ближнем инфракрасном диапазоне) излучения в диапазоне от 0,6 мкм до 2 мкм. Светодиоды и лазеры. Управление спектром излучения. DFB и DBR лазеры. Возможность модуляции. Ширина спектра излучения. Многомодовое излучение и перескоки с моды на моду. Расходимость излучения и согласование пучков излучения с многомодовым и одномодовым волокном. Система стыковки полупроводникового лазера с оптическим волокном. Температурные характеристики светодиодов и полупроводниковых лазеров. Надежность используемых излучателей. 100 000 часов непрерывной работы (более 10 лет). Оптическая изоляция лазерных источников излучения;

- приемники оптического излучения. Малогабаритность, малое энергопотребление. Высокая чувствительность. Время реакции. Pin фотодиоды, ЛФД фотодиоды. Методы обнаружения светового сигнала.

- стержневые линзы (граданы). Согласование с волокном;

- прямоугольные призмы, уголковая призма, поляризационный расщепитель, призма-поляризатор (Глан-Томпсон, Рошон);

- фазовая пластинка (лямбда/2 лямбда/4);

- оптические изоляторы 50 дБ и более, в коротковолновом (0,8 мкм длинноволновом 1,3 мкм и 1.5 мкм), парамагнитное стекло с добавками (Тербия Tr3+).

- Соединительные и разделительные фильтры (Многослойники, дифракционные решетки);

- модуляторы интенсивности (на основе электрооптического эффекта, ниобат лития, обладающий электрооптическими свойствами, которые зависят от температуры, (которая мешает)), (акустооптические модуляторы интенсивности);

- сдвиг оптической частоты (устройство на основе ультразвукового модулятора, перпендикулярное падение дифракция Рамана – Ната, дифракция Брега);

Волокно в качестве линии передачи

- изменение интенсивности от коэффициента отражения или прохождения (спектр поглощения полупроводников – датчик температуры, эффект пьезопоглощения –датчик давления, изменение спектра поглощения – газовый датчик)

Кроме поглощения Бугера - Ламберта в такой системе регистрируются вещества по отдельным линиям поглощения

Почему в естественных условиях не применяются широкополосные источники излучения? Линии поглощения от различных газов и веществ могут располагаться очень близко друг к другу, или просто перекрываться своими крыльями. В этом случае идентификация отдельных веществ или газов по линиям поглощения может быть затруднена.

Датчик паров воды один из самых востребованных, конкуренция громадная, но и спрос большой (два примера: кирпичный завод и самолетные датчики).

- люминесценция (термолюминесценция – датчик температуры), электролюминесценция (датчик электрического напряжения),

радиоактивная люминесценция (радиоактивный датчик);

- модуляция поляризованного излучения (эффект Фарадея – датчик электрического тока, магнитного поля),

Угол фарадеевского вращения  при напряженности магнитного поля и длине светового пути в веществе  определяется по формуле

Здесь  постоянная Верде, характеризует активность эффекта Фарадея для данного вещества.

В используемой системе анализатор обеспечивает зависимость интенсивности от угла поворота, что обеспечивает количественную оценку величины магнитного поля. Если установить угол между поляризатором и анализатором 45°, то регистрируемая световая мощность определяется по формуле

За какими параметрами надо следить! Стабильность интенсивности излучения и поляризации исходного излучения.

(эффект Поккельса – датчики электрического поля),

При распространении света по выбранному направлению происходит разделение на две моды с линейной поляризацией. В этих кристаллах коэффициент преломления для каждой моды изменяется пропорционально напряженности приложенного электрического поля.

(эффект фотоупругости – датчики давления, колебаний).

Под действием давления в фотоупругих материалах возникает двойное лучепреломление. Это значит входной линейно поляризованный на выходе имеет круговую поляризацию. Следовательно световая мощность измеряемая с помощью светового детектора определяется по формуле

Где  измеряемое давление , так называемое полуволновое давление

Параметр С - постоянная фотоупругости и определяется через коэффициенты преломления, оптическую деформацию и упругость.

- модуляция частоты (эффект Доплера –датчики скорости, вибрации). Используя доплеровский частотный сдвиг можно создать датчик микроскорости.

Волокно в качестве чувствительного элемента

(работа для сельского хозяйства)

Под волоконно-оптическим измерением температуры (английский вариант DTS = Distributed Temperature Sensing) понимают применение оптоэлектронных приборов для измерения температуры, при которой стеклянные волокна используются в качестве линейных датчиков. Типичными случаями применения линейных волоконных температурных датчиков являются сферы, связанные с безопасностью, например, системы пожарного оповещения в автомобильных, железнодорожных или сервисных туннелях; термический контроль силовых кабелей и воздушных линий передач для оптимизации производственных отношений; повышение эффективности нефтяных и газовых скважин; обеспечение безопасного рабочего состояния промышленных индукционных плавильных печей; контроль герметичности контейнеров с сжиженным природным газом на судах в разгрузочных терминалах; обнаружение утечек на плотинах и запрудах; контроль температуры при химических процессах; обнаружение утечек в трубопроводах.

Физические воздействия на оптоволокно, такие как: температура, давление, сила натяжения - локально изменяют характеристики пропускания света и как следствие, приводят к изменению характеристик сигнала обратного отражения. В основе измерительных систем на основе оптоволоконных датчиков используется сравнение спектров и интенсивностей исходного лазерного излучения и излучения, рассеянного в обратном направлении, после прохождения по оптоволокну.

Обратное световое рассеяние при температурном воздействии

Оптические волокна изготовлены из легированного кварцевого стекла. Кварцевое стекло представляет собой разновидность двуокиси кремния (SiO2) с аморфной твердотельной структурой. Температурные воздействия инициируют вибрации в молекулярной решетке. Когда свет попадает на термически возбужденные молекулы, происходит взаимодействие между световыми частицами (фотонами) и электронами. Таким образом, в оптическом волокне происходит световое рассеяние, так же известное, как рамановское рассеяние.

Обратное световое рассеяние состоит из нескольких спектральных составляющих:

• Рэлеевское рассеяние, с длиной волны аналогичной, используемой в лазерном источнике;

• Стоксовы компоненты Рамановского рассеяния с длиной волны большей, чем у используемого лазерного источника, при которых испускаются фотоны;

• Антистоксовы компоненты Рамановского рассеяния с меньшей длиной волны, по сравнению с рэлеевским рассеянием, при которых фотоны поглощаются.

Интенсивность рассеяния, так называемого антистоксова диапазона, зависит от температуры, в то время как, стоксова компонента от температуры практически не зависит. Локальная температура оптического волокна выводится из отношения антистоксовой и стоксовой интенсивностей света. Бриллюэновские линии, которые более интенсивны, чем Стоксовы, но имеют меньший спектральный сдвиг. Этот спектральный сдвиг вызван акустическими колебаниями кристаллической решетки волокна и несет в себе информацию о механических напряжениях и температурах, воздействующих на волокно. Воздействие механических напряжений и температур приводит к изменению положения Бриллюэновской линии на шкале длин волн.

Датчики температуры на основе Рамановских линий

Самым современным оборудованием в системе мониторинга распределения температуры, например в трубопроводах, является распределенный оптоволоконный датчик температуры на основе Рамановских линий. Принципом работы датчика является то, что интенсивность Стоксовой Рамановской компоненты рассеянного излучения практически не зависит от температуры, а интенсивность Антистоксовой линии сильно связана с температурой. Это позволяет, определяя отношение интенсивности Антистоксовой линии и Стоксовой линии, определять значение температуры. Данный подход позволяет избавиться от погрешности, связанной с возможными флуктуациями мощности зондирующего лазерного импульса. Системы этого типа могут работать на расстояниях в несколько километров. Пространственное разрешение может достигать 0,5 м.

Самым известным методом основанным на эффекте обратного рассеивания является метод OTDR (= Optical Time Domain Reflectometry или оптическая рефлектометрия во временной области). В его основе заложен импульсно-акустический метод (импульсы и эхо), в результате разницы времени распространения между временем передачи и обнаружения световых импульсов можно определить уровень и место рассеивания.   Поэтому локально распределенный датчик температуры Рамана с техникой OTDR может быть реализован только с помощью мощных (дорогих) импульсных лазеров (обычно лазеров с твердым рабочим веществом) и быстрой, также дорогостоящей, техникой передачи сигналов. Разработанный компанией «LIOS Technology GmbH» температурный датчик Рамана OFDR (OFDR, Optical Frequency Domain Reflectometry = рефлектометрия частотной области) работает не во временном диапазоне, как техника OTDR, а в частотном. При методе OFDR получают информацию о локальном изменении температуры, если сигнал обратного рассеивания, обнаруженный на протяжении всего времени измерения, измеряется как функция частоты и в комплексе (комплексная передаточная функция), а затем подвергается преобразованию Фурье. Существенными преимуществами техники OFDR являются режим квазинепрерывного излучения лазера и узкополосное обнаружение оптического сигнала обратного рассеивания, вследствие чего, достигается значительно более высокое отношение сигнал / шум, чем при использовании импульсной техники. Данное техническое преимущество позволяет использовать недорогие полупроводниковые лазерные диоды и недорогостоящие электронные блоки для передачи сигналов. Им противопоставляется технически сложное измерение комбинационного рассеиваемого света (комплексное измерение в соответствии с величиной и фазой) и высокая затратная часть из-за БПФ (блока преобразования Фурье), необходимого для обработки сигнала и с более высокими требованиями к линейности электронных блоков и компонентов.

Схематическая структура волоконно-оптической системы измерения температуры состоит из блока формирования сигнала с частотным генератором, лазера, оптического модуля, приемного блока и блока микропроцессора, а также световодного кабеля (кварцевое стеклянное волокно) в качестве линейного температурного датчика. В соответствии с методом OFDR интенсивность лазера в течение интервала времени измерения модулируются синусообразно, а частота — в виде линейной частотной модуляции. Отклонение частоты является прямой причиной для локального срабатывания рефлектометра. Частотно-модулированный свет лазера направляется в световод. В любой точке вдоль волокна возникает комбинационный рассеянный свет, излучаемый во всех направлениях. Часть комбинационного рассеянного света движется в обратном направлении к блоку формирования сигнала. Затем выполняется спектральная фильтрация света обратного рассеивания, его преобразование в измерительных каналах в электрические сигналы, усиление и электронная обработка. Микропроцессор проводит расчет преобразования Фурье. В качестве промежуточного результата получают кривые комбинационного обратного рассеивания как функцию длины кабеля. Амплитуда кривых обратного рассеивания пропорциональна интенсивности соответствующего комбинационного рассеивания. Из отношения кривых обратного рассеивания получают температуру волокна вдоль световодного кабеля. Технические спецификации системы измерения температуры Рамана могут быть оптимизированы посредством настройки параметров прибора (дальность действия, локальное разрешение, точность температуры, время измерения). Возможна также регулировка световодного кабеля в соответствии с возможностями конкретного случая применения. Термическая стойкость стекловолоконного покрытия ограничивает максимальный диапазон температуры световодного кабеля. Стандартные волокна для передачи данных располагают акриловым покрытием или покрытием, затвердевшим в результате УФ (ультрафиолетового) излучения, и пригодны для диапазона температур до 80 °C. Стекловолокно с полиамидным покрытием может использоваться до максимальной температуры 400 °C.

Бриллюэновские системы Как отмечено ранее, спектральный сдвиг Бриллюэновской линии вызван акустическими колебаниями кристаллической решетки волокна и несет в себе информацию о механических напряжениях и температурах, воздействующих на оптоволокно. Созданные к настоящему времени алгоритмы обработки сигналов таких систем позволяют разделить информацию о температуре и о механических воздействиях. Для Бриллюэновской системы мониторинга типичны следующие характеристики: расстояние, на которое может работать единичная система – 40 – 50 км при пространственном разрешении 1 – 2 метра. К недостаткам Бриллюэновских систем мониторинга следует отнести сложность их устройства, которая обуславливает высокую стоимость. Преимуществом Бриллюэновских систем является возможность работы с сенсорными кабелями на основе обычного дешевого связного волокна. Время получения сигнала с таких систем составляет ориентировочно 1 – 2 минуты. При работе с более длинными линиями время измерений возрастает. Для повышения чувствительности и значительного сокращения времени измерений используется метод, основанный на стимулированном Бриллюэновском рассеянии. Он отличается от систем на спонтанном рассеянии тем, что в волокно направляются одновременно непрерывное «пробное» лазерное излучение и мощный импульс накачки Системы мониторинга на основе стимулированного Бриллюэновского рассеяния обеспечивают работу на расстояние порядка 50 км (возможны большие расстояния) с пространственным разрешением от 0,5 м. Минимальная частота получения измерительной информации может составлять значения порядка одного Герца.

Датчики на основе интерференции

Волоконно-оптические интерферометры:

Кольцевой

Кольцевой Фабри-Перо

Маха – Цендера

Майкельсона

Автомобиль, как грузовой, так и легковой представляем в качестве самодиагностируемой системы, в которой все параметры должны контролироваться перманентно.

Требуется контроль:

- уровня масла

- Уровень бензина

- напряжение на аккамуляторе

- ток разряда акамулятора через стартер

- наличие СО в выхлопных газах

- индикаторы закрытия дверей


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

79031. Ррозробка корпоративного стилю та бренд-буку для кавової корпорації «Кому ні кава» за допомогою комп’ютерних графічних програм 6.1 MB
  Ескізне проектування і розробка основних графічних констант корпорації: знак, логотип, корпоративні кольори, шрифтові блоки. Пошук вдалого вирішення форми і кольору. Розробка ділової документації та рекламно-іміджевих елементів, з використанням основних графічних констант.
79032. Держава Павла Скоропадського 118.5 KB
  Незадоволення бідняцьких верств селянства, становище яких в умовах окупації різко погіршилося, виявлялося в партизанському русі, що поширювався. Послаблення державних інститутів, які Центральна Рада прагнула будувати демократичним шляхом, призводило до повсюдного хаосу і безладдя. Чим далі, тим більше центральний уряд не міг контролювати становище на місцях.
79033. Преднаука и философия познания в Средние века 34 KB
  Интерес для нас представляет личность Мухаммеда ибнМусы алХорезми 780850 автора нескольких сочинений по математике которые в XII в. Через его Арифметику европейцы познакомились с десятичной системой счисления и правилами алгоритмами от имени алХорезми выполнения четырех действий над числами записанными по этой системе. АлХорезми была написана Книга об алджебр и алмукабала целью которой было обучить искусству решений уравнений необходимых в случаях наследования раздела имущества торговли при измерении земель проведении...
79034. Эпоха Возрождения как канун становления классической науки 40 KB
  В городах стали возникать светские центры науки и искусства деятельность которых находилась вне контроля церкви. В формировании мышления этой эпохи огромное влияние сыграло наследие античной науки. Особенности науки эпохи Возрождения: антисхоластическая направленность взглядов и сочинений мыслителей этого времени; 2 создание новой пантеистичекой картины мира отождествляющей Бога и природу; 3 антропоцентризм то есть интерес в первую очередь к человеку и его деятельности философии.
79035. Мировоззренческие понятия пантеизма и деизма и их значение для становления научной картины мира (в философии Н.Кузанского, Д.Бруно, Б.Спинозы и французских просветителей 18-го века) 43.5 KB
  Николай Кузанский внёс вклад в развитие представлений, прокладывавших дорогу натурфилософии и пантеистическим тенденциям XVI в. В отличие от современных ему итальянских гуманистов
79036. Философия познания Ф.Бэкона и ее значение для превращения преднауки в науку 42 KB
  Родоначальником нового подхода к науке является знаменитый английский политический деятель философматериалист и один из основоположников науки Фрэнсис Бэкон 1561 1626. Бэкон дал философское обоснование нового взгляда на цель и предназначение науки разработал основные принципы индуктивного метода исследования. Бэконовский афоризм Знание сила в течение трех веков является символом науки. Бэкон предпринимает Великое восстановление наук в книге оставшейся не законченной и фиксирует возникновение науки как триединого целого система...
79037. Философия познания Р.Декарта и ее значение для превращения преднауки в науку 35 KB
  В основе философии Декарта дуализм души и тела мыслящей и протяженной субстанции. Общая причина движения по Декарту Бог который сотворил материю движение и покой. В учении о познании Декарт родоначальник рационализма и сторонник учения о врожденных идеях.
79038. Становление классической науки (XVII век) 35.5 KB
  Становление классической науки XVII век. также научная революция Этап становления классической науки относится к XVII. Этап становления классической науки связан прежде всего с деятельностью таких мыслителей как Г. При этом предметом науки являются законы общие положения обладающие абсолютностью и безусловной значимостью для всех.
79039. Развитие естествознания в XVII - XIX веках 34.5 KB
  Хорошо известно что идея развития пробила себе дорогу в естествознании уже в конце XVIII в. Однако конкретная форма идеи развития в естествознании того времени форма механистического эволюционизма была еще крайне несовершенна. рассматривали развитие как механический круговорот в котором происходит интеграция систем из некоторых простейших элементов и последующий распад их на эти же элементы причем каждый цикл развития завершается возвращением к исходному пункту. Правда дальнейшее проникновение идеи развития в естественные науки все...