49934

Эффект полного внутреннего отражения в оптических волноводах

Курсовая

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

С изобретением зеркал для передачи сигналов на значительные расстояния в качестве источника света стало использоваться солнце. Развитие подобных методов сдерживалось изза отсутствия хороших источников света и надежных каналов передачи с низкими потерями. не продемонстрировали что затухание света в волокне из плавленого кварца настолько мало что позволяет создавать протяженные линии связи. Рисунок 1 Пучок оптических волокон Оптическое волокно имеет световедущую сердцевину с показателем преломления света n1 окружённую оболочкой с...

Русский

2014-01-12

4.38 MB

74 чел.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………............…4

1 ОПИСАНИЕ ЭФФЕКТА ПОЛНОГО ВНУТРЕННЕГО ОТРАЖЕНИЯ В ОПТИЧЕСКИХ ВОЛНОВОДАХ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН………………………………………………………………………....6

1.1  Оптический волновод……………………………………………...….7

1.2 Сущность процесса полного внутреннего отражения ……………..10

1.2 Понятие о модах………………………………………………………13

1.3 Классификация мод……………………………………………....15

2 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРЕДЛОЖЕННОГО ЭФФЕКТА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН…………………………………….17

2.1  Изменение длины оптического пути…………………………….….18

2.2  Магнитострикциоиный магнитометр……………………………….22

2.3  Гидрофон……………………………………………………….……..22

2.4  Эффект Саньяка……………………………………………………....23

2.5  Магнитооптический эффект Фарадея…………………………...….25

2.6 Эффект Керра………………………………………………………....27

2.7 Фотоупругий эффект………………………………………………....29

2.8 Физическая деформация. Микроизгибы…………………………….31

2.9 Принципы преобразования сигналов в волоконно-оптических преобразователях…………………………………………………………….…..33

3 ИСТОЧНИКИ ПОГРЕШНОСТЕЙ, ОГРАНИЧИВАЮЩИХ ТОЧНОСТЬ ИЗМЕРЕНИЙ НА ОСНОВЕ ДАННОГО ФИЗИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА………………………………………………………………………..38

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ……………………...…40

                                              ВВЕДЕНИЕ

Использовать свет в качестве средства связи люди, по-видимому, начали с тех пор, как научились пользоваться огнем. В течение тысячелетий применялись сигнальные костры и дымовые сигналы. С изобретением зеркал для передачи сигналов на значительные расстояния в качестве источника света стало использоваться солнце. Люди, получавшие сообщения, надлежащим образом их истолковывали. Подобные методы совершенствовались и развивались столетиями. Хорошо известен видеотелефон Александра Грейама Белла, использовавшийся для передачи сообщений с помощью светового луча на расстояние около 200 м. Развитие подобных методов сдерживалось из-за отсутствия хороших источников света и надежных каналов передачи с низкими потерями. Ситуация полностью изменилась в 1962 году благодаря изобретению лазера. В свободном пространстве когерентный свет, испускаемый таким источником, может быть получен удаленным приемником, находящимся на расстоянии сотен тысяч километров. Отсутствие подходящей передающей среды тем не менее продолжало препятствовать развитию оптической связи, пока Капрон и др. не продемонстрировали, что затухание света в волокне из плавленого кварца настолько мало, что позволяет создавать протяженные линии связи. Используя длинные волокна толщиной с волос, можно прокладывать многокилометровые волоконные линии для передачи сигналов. Рассмотрим пловца на дне водоема. Если он посмотрит на поверхность воды под достаточно малым углом, дно водоема полностью отразится на поверхности раздела вода-воздух. Примерно то же происходит внутри волокна; свет передается благодаря множеству внутренних отражений. Внутри волокна свет отражается от материала оптической оболочки, имеющей меньший коэффициент преломления, снова в сторону сердцевины. Таким образом, непрерывные внутренние отражения позволяют свету распространяться по ходу движения. Одновременное начало производства компаниями Corning Inc. и Bell Labs волокна с низкими потерями открыло дверь оптической связи и дешевым волоконно-оптическим датчикам, способным обеспечить высокую производительность.

1 ОПИСАНИЕ ЭФФЕКТА ПОЛНОГО ВНУТРЕННЕГО ОТРАЖЕНИЯ В ОПТИЧЕСКИХ ВОЛНОВОДАХ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

Вну́треннее отраже́ние — явление отражения электромагнитных или звуковых волн от границы раздела двух сред при условии, что волна падает из среды, где скорость ее распространения меньше (в случае световых лучей это соответствует бо́льшему показателю преломления). Различают неполное и полное внутреннее отражение.

Неполное внутреннее отражение — внутреннее отражение, при условии, что угол падения меньше критического угла. В этом случае луч раздваивается на преломлённый и отражённый.

Полное внутреннее отражение — внутреннее отражение, при условии, что угол падения превосходит некоторый критический угол. При этом падающая волна отражается полностью, и значение коэффициента отражения превосходит его самые большие значения для полированных поверхностей. Коэффициент отражения при полном внутреннем отражении не зависит от длины волны.

В оптике это явление наблюдается для широкого спектра электромагнитного излучения, включая рентгеновский диапазон.

В геометрической оптике явление объясняется в рамках закона Снелла. Учитывая, что угол преломления не может превышать 90°, получаем, что при угле падения, синус которого больше отношения меньшего коэффициента преломления к большему коэффициенту, электромагнитная волна должна полностью отражаться в первую среду.

В соответствии с волновой теорией явления, электромагнитная волна всё же проникает во вторую среду — там распространяется так называемая «неоднородная волна», которая экспоненциально затухает и энергию с собой не уносит. Характерная глубина проникновения неоднородной волны во вторую среду порядка длины волны [1].

1.1  Оптический волновод

Оптическое волокно в настоящее время считается самой совершенной физической средой для передачи информации, а также самой перспективной средой для передачи больших поток информации на значительные расстояния. Основания считать оптоволокно самой перспективной средой для передачи больших потоков информации вытекает из ряда особенностей, присущих оптическим волноводам.

Оптическое волокно представляет собой волновод,  как правило,  круглого сечения. Волокно изготавливается  из определённых диэлектрических материалов, таких как полимер или  кварцевое стекло. Пример оптоволокна показан на рисунке 1.

Рисунок 1 – Пучок оптических волокон

Оптическое волокно имеет световедущую сердцевину с показателем преломления света n1, окружённую оболочкой с показателем преломления n2, причём n1>n2, в соответствии с рисунком 2 и 3.

Рисунок 2 – Конструкция  оптического волокна

Рисунок 3 – Структура оптического волокна

Сердечник из оптически более плотного материала окружен оболочкой с меньшим коэффициентом преломления и все это покрыто защитной оболочкой.

Оптическое волокно – это типичный диэлектрический волновод электромагнитных волн.

Оптоволокно работает путем передачи световых сигналов вместо электрических, как те, что передаются по обычным медным проводам. Оптоволоконные кабели делают это, действуя в качестве волновых проводников для световых волн определенной частоты. Это возможно благодаря такому физическому явлению, как преломление. Преломление – это изменение направления волны (в данном случае световой волны) в силу изменения скорости. Одним из примеров тому может служить соломинка в стакане воды; кажется, что соломинка согнута, но на самом деле преломляются световые волны при прохождении из воздушной среды в воду. Оптоволоконные кабели работают практически по такому же принципу за исключением того, что направление световых волн меняется гораздо более значительно таким способом, который позволяет удерживать их в сердечнике оптоволоконного кабеля. Это явление называется полным внутренним отражением и показано на рисунке 4. Как вы видите, луч красного света проходит от одной стенки к другой[2].

Рисунок 4 – Эффект полного внутреннего отражения

1.2 Сущность процесса полного внутреннего отражения

Понимание процесса распространения света в волноводе требует знания классической теории электромагнитных волн. В 1864 г. Джеймс Максвелл убедительно доказал, что свет имеет электромагнитную природу. Всем известные  уравнения Максвелла могут быть использованы для анализа физического явления, которое возникает, когда волна пересекает границу между двумя различными диэлектрическими материалами. Это имеет большое значение для оптических волокон, поскольку волокно должно иметь диэлектрическую внешнюю оболочку для своей защиты и поддержки. Рисунок 5 иллюстрирует волну, распространяющуюся со скоростью   в первой среде  и со скоростью    - во второй.

Рисунок 5 – Прохождение световой волны через границу двух сред

Преломление света на границе двух сред в рамках геометрической оптике объясняется законом Снеллиуса:

=         (1)

В  соответствии волновой теорией, электромагнитная волна всё же проникает во вторую среду – там распространяется так называемая неоднородная волна, которая экспоненциально затухает и энергию с собой не уносит.

Если угол падения α увеличивается, то при определённом его значении преломлённый луч полностью исчезает (γ=90). Такое особенное значение α называется критическим углом скольжения:

                                                          (2)

Если мы хотим, чтобы волна распространялась в оптическом волокне без потерь, то угол падения на стенки α должен быть достаточно велик для осуществления полного внутреннего отражения.

При углах падения, больших критического, преломлённый световой поток отсутствует (в идеализированном случае), поверхность раздела приобретает свойства зеркала – вся переносимая лучом энергия остаётся в отражённом потоке. Это явление и есть эффект внутреннего отражения.

Требование, чтобы световые волны отражались внутри сердцевины волокна под углом, большим критического, накладывает свои условия на входящий и исходящий свет на концах волокна, что отражено на рисунке 6.

Рисунок 6 – Числовая апертура

При расчёте характеристик реального распространения света  в оптоволокне, используется величина числовой апертуры (NA).

                                         NA=                                                     (3)

NA – важный технологический параметр, т.к., чем больше  NA, тем лучше свет вводится в оптоволокно.

Числовая апертура становится по мере того, как значение n2  приближается к n1. В промышленных волокнах разность δ между n1 и n2 составляет около 1%. Увеличивать δ нежелательно вследствие возрастания межмодовой  дисперсии, что будет рассмотрено позже.

Чтобы свет распространялся вдоль оптического волокна, он должен входить в пределах конуса с половинным углом θ при вершине, как показано на рисунке 6. Его иногда называют конусом приёма. Кроме того, поскольку в геометрической оптике ход лучей обратим, на выходном конце волокна должен существовать аналогичный конус, внутри которого сосредоточен выходящий свет.

В дополнение, излучающая площадка источника света должна быть меньше, чем площадь поперечного сечения волокна и быть расположена вплотную  к его концу. Чувствительная площадка приёмника должна быть  достаточно велика и расположена таким образом, чтобы принять весь свет, выходящий из волокна[3].

Рисунок 7 – Расположение источника света и фотодетектора

1.2 Понятие о модах

Оптические лучи внутри волокна распространяются многократно, испытывая полное отражение. Но распространение этих лучей возможно лишь в том случае, когда они проходят под определенными углами. Подобное распространение луча характеризуется модой, которая определяется типом распределения электромагнитного поля.

Чтобы лучше разобраться в понятии «мода», следует обратить внимание на ее взаимосвязь с оптическими лучами и рассмотреть распространение оптических лучей в пластинчатом волноводе (рис. 2.2).

Рисунок 8 –Соответствие  между световым лучом и модой

Распространяющаяся световая волна является горизонтально поляризованной и имеет относительно оси волновода наклон ψ. Отсюда волновой фронт (поверхность одинаковых фаз) перпендикулярен направлению света. На рисунке 8 сплошной линией обозначена фазовая поверхность с положительным электрическим полем, а штриховой линией — с отрицательным полем. Если считать, что горизонтально поляризованная волна в вакууме имеет длину , то в сердечнике с коэффициентом преломления  длина волны уменьшается до , а постоянная распространения волны  , наоборот, увеличивается, причем постоянная распространения вдоль оси

                                                                     (4)

Перед тем как приступить к рассмотрению понятия моды, необходимо разобраться в явлении интерференции, которое связано с фазовым сдвигом света в результате полного отражения. Если полное отражение света, падающего в точку А (рисунок 8), рассматривать более подробно в соответствии с теорией электромагнитных волн, то выясняется, что незначительная часть энергии этого света все-таки проникает в оболочку. Поэтому свет отражается уже от точки В, чуть сдвинутой относительно точки А вдоль горизонтальной оси. При этом фаза отраженной волны также изменяется на некоторую величину ψ, зависимую от угла падения светового луча. Подобный сдвиг отраженной волны и изменение ее фазы называется сдвигом Гооса — Генхеиа.

На рисунке 8 несколько упрощенно показаны условия распространения основной моды. В центральной части сердечника интенсивность электрического поля увеличивается и достигает максимума вследствие сложения положительных (или отрицательных) фазовых фронтов световых лучей. И, наоборот, вблизи границы сердечник — оболочка положительный и отрицательные фазовые фронты взаимно компенсируются и электрическое поле стремится к нулю. При таких условиях распределение электрического поля света вдоль вертикальной оси представляет собой стоячую волну. Это распределение многократно повторяется вдоль горизонтальной оси с периодом . Вышеизложенная форма распространения и называется модой. Для возникновения стоячей волны необходимо, чтобы при зеркальном отражении светового луча вверх и вниз сумма изменений фазы по вертикали в ходе продвижения волны за период отражения и вследствие сдвига Гооса—Генхена была бы кратной 2. Таким образом, для формирования моды угол распространения светового луча не может быть произвольным, и только световые лучи, имеющие тот или иной угол, удовлетворяющий вышеуказанным условиям, могут распространяться.

При описании характеристик оптических волокон одним из важных параметров является нормированная частота. По ее значению судят о том, насколько много мод может распространяться в оптическом волокне. Нормированная частота обозначается υ и вычисляется по следующей формуле:

                                                              (5)

Для описанных ниже оптических волокон со ступенчатым изменением коэффициента преломления значение υ==2,405 является граничным ( — нормированная частота среза), т. е. если действительное значение υ волокна хотя бы немного меньше, распространяется одна мода, а если больше,— распространяется множество мод. Величина  определяет условие существования в оптическом волокне одной моды, или условие границы среза мод более высоких порядков, поэтому и называется нормированной частотой среза. Величина

                                                             (6)

называется длиной волны среза; оптические волокна в области с длиной волны, большей кс, работают в одномодовом режиме[4].

1.3 Классификация мод

Типичные образцы оптических волокон приведены на рис. 9. Их можно разделить на многомодовые оптические волокна, у которых нормированная частота составляет несколько десятков (υ=30) и в которых распространяется множество мод, а также одномодовые оптические волокна со значением υ чуть меньше 2,4, в которых распространяется только одна мода. Ниже рассматриваются и те и другие виды оптических волокон.

Рисунок  9 – Типы оптического волокна: а – ступенчатое многомодовое; б – градиентное многомодовое; в – одномодовое; г - с двойным лучепреломлением


2 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРЕДЛОЖЕННОГО ЭФФЕКТА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

Строгое определение внутреннего эффекта — изменение за счет измеряемого воздействия некоторого параметра или свойства оптического волокна. Измерение происходит внутри волокна. Преимуществами оптоволоконных сенсоров с внутренним эффектом по сравнению с сенсорами внешнего типа являются:

большее геометрическое разнообразие,

более широкий динамический диапазон,

гораздо более высокая чувствительность,

более низкая инерционность.

Недостатками оптоволоконных сенсоров с внутренним эффектом по сравнению с сенсорами внешнего типа являются:

повышенная сложность,

требуется более сложный процесс обнаружения и обработки сигнала,

повышены требования к точности и стабильности оптических элементов,

необходим стабильный источник света с заданными характеристиками,

повышенная чувствительность к параметрам окружающей среды снижает селективность и приводит к дрейфу нуля, что затрудняет проведение измерений постоянных или медленно меняющихся величин.

Оптикофизическими явлениями, используемыми для измерений, являются:

ослабление или фазовый сдвиг вследствие физической деформации волокна,

вращение плоскости поляризации,

рассеяние.

Ниже будут рассмотрены примеры использовния эффекта полного внутреннего отражения для измерения различных физических величин[5].

2.1  Изменение длины оптического пути

Волновое уравнение выглядит следующим образом:

                                                   (7)

Член  полностью описывает фазу волны при любой координате и в любой момент времени. Для простоты, предполагаем, что волна распространяется вдоль оси z. Тогда фазовый член может быть переписан как где  — волновое число свободного пространства . В процессе распространения света в каком-либо веществе его длина волны становится короче, поскольку скорость распространения света в среде  меньше скорости в вакууме с.

                                                 c=                                                              (8)

                                                                                                         (9)

и взяв их отношение имеем:

                                                                                              (10)           

Следовательно, фазовый член для распространения волны в веществе выражается как , где  — абсолютный показатель преломления. Член  — физический путь умноженный на показатель преломления, называется оптической длиной пути.

Если световая волна была разделена и ее составные части прошли различные пути, а затем она вновь соединилась, то возникнет некоторый фазовый сдвиг φ  равный

                                                                                    (11)

Если обе части распространялись в одной и той же среде, то имеем:

                                                                      (12)

Так как эти фазовые сдвиги отражают составные части волны света, существует возможность проведения тонких измерений смещений либо изменений в показателе преломления. Конструкция сенсора должна быть такой, чтобы измеряемая физическая величина вызывала некоторое изменение разности оптических путей. Эти фазовые сдвиги измеряются интерференционным методом с помощью интерферометра какого-либо типа. К сожалению, изменение интенсивности в зависимости от разности оптических путей — функция нелинейная.

Рисунок 10 – Интерферометр Маха-Цендера

Существуют три исторически сложившихся типа интерферометров, которые были приспособлены для создания волоконно-оптических датчиков. К ним относятся интерферометр Маха - Цендера (рисунок 10), интерферометр Фабри-Перо и интерферометр Май-кельсона. На рисунках они показаны в традиционной и волоконно-оптической формах. Чувствительный элемент может быть выполнен на некоторой подложке в виде оптического волновода. Технологию с использованием материала подложки часто называют интегральной. Наиболее часто при построении волоконно-оптических датчиков используется интерферометр Маха-Цендера.

Преимуществом интерферометра Фабри-Перо (рисунок 12) является то, что свет много раз проходит через область измерения, что важно для некоторых применений.

Рисунок 11 – Интерферометр Фабри-Перо

Интерферометр Майкельсона (рисунок 12) имеет много общего с интерферометром Маха-Цендера.

Существенной проблемой, стоящей перед разработчиками сенсоров интерферометрического типа, является трудность измерения постоянных или медленно меняющихся величин, вызванная температурным дрейфом разности оптических путей. Временной масштаб такого дрейфа — более 0,1 с. Следовательно, интерферометрические сенсоры наиболее пригодны для проведения измерений на частотах выше 10 Гц. Другая сложность заключается в измерении длин, больших чем длина волны, поскольку одинаковые интенсивности интерференции повторяются с периодом  фазового сдвига. Установка нуля также становится затруднительной. Таким образом, оказывается возможным измерение только малых относительных смещений, если не используются более сложные конструкции с автоматической установкой нуля и дополнительной обработкой сигнала.

Были разработаны волоконно-оптические интерферометры для измерения показателя преломления, ускорения, электрических и акустических полей, электрического тока, температуры, механических напряжений и давления. Показатель преломления, используемый при химическом анализе, измерялся либо на конце волокна в интегрально-оптической структуре по типу интерферометров Майкельсона или Фабри-Перо, либо через боковую поверхность волокна через волну утечки в структуре интегрально-оптического интерферометра Маха-Цендера. Ниже описаны три устройства, получившие некоторое коммерческое применение[6].

Рисунок 12 – Интерферометр Малькейсона

2.2  Магнитострикциоиный магнитометр

 

Ферромагнитные вещества проявляют магнитострикцию, и до достижения насыщения продольное механическое напряжение вызывает удлинение е, определяемое как  , которое в общем случае равно

                                                        (13)

где С — константа вещества.

Магнитометр может быть сконструирован путем прямого нанесения вещества, обладающего магнитострикционными свойствами, на поверхность оптического волокна. В присутствии магнитного поля волокно будет либо сжато, либо растянуто, что вызовет изменение фазы света, распространяющегося по волокну. Из уравнения (32) имеем

                                                                            (14)

где  — эффективность передачи механического напряжения и  — корректирующий множитель для изменения к вследствие продольного напряжения в сердцевине волокна. При возбуждении системы в области механического резонанса чувствительность повышается. Наиболее подходящая для магнитометра интерферометрическая схема — интерферометр Маха-Цендера.

2.3  Гидрофон

С начала 1970-х годов происходило быстрое развитие разработок в области гидрофонов, преимущественно для военных целей. Гидрофоны на основе оптических волокон привлекают внимание разработчиков благодаря своей структурной гибкости и относительно низкой цене.

Были достигнуты уровни собственных шумов, по крайней мере, на 10 дБ ниже уровня фонового подводного шума при чувствительности в

―300 дБ  мк/Па.

Существуют конструкции  двух типов. Волокно либо просто помещается в гибкую оболочку и устанавливается перпендикулярно оси вибрации, как на рисунок 13, а, либо обвивается вокруг упругой нитью для повышения чувствительности (рисунок 13, б) [7].

Рисунок 13 – Волоконно – оптические гидрофоны

2.4  Эффект Саньяка 

На протяжении последних тридцати лет было затрачено огромное количество усилий для разработки волоконно-оптического гироскопа, основанного на эффекте Саньяка, открытом в 1913 г.

Оптическая схема для наблюдения эффекта Саньяка приведена на рисунке 14.

Рисунок 14 – Эффект Саньяка

Оптическая среда представляет собой кольцо радиуса R, вращающееся вместе с приемником с некоторой угловой скоростью Ω. Вследствие вращения время распространения от А до В будет больше, чем время распространения от В до А. Следовательно, если пучок света разделен на два и один из них распространяется в направлении вращения, а другой — против направления вращения, между ними возникает разность фаз, которая обусловлена различием в длинах оптических путей. Простое классическое объяснение предполагает два пути света, вращающихся в противоположных направлениях.

Когда кольцо неподвижно, время распространения света Δt на один оборот вдоль кольца равно

,                                                        (15)

где  — скорость света в стекле.

Если кольцо вращается, то за время Δt оно повернется на ΩΔ t радиан. Следовательно, путь света АВ увеличится на RΩΔt, а путь ВА уменьшится на RΩΔt. Поэтому разность хода будет

                                      Δz=2RΩΔt=2,                                              (16)

                                                                                                   (17)

где A – площадь кольца. Разность фаз φ, согласно уравнению, равна nκΔz, т.е.

                              ,                                                        (18)

что  в результате даёт

   φ=                                                     (19)

Экспериментальные наблюдения, проведенные различными исследователями, свидетельствуют о том, что в случае вращения вместе с интерферометром среды присутствие этой среды не оказывает влияния на интерференционные полосы. Поэтому в уравнении (39) эффективное значение показателя преломления — единица, что приводит к

                               .                                                   (20)

Эффект Саньяка не зависит от формы геометрической фигуры, образующей замкнутый контур, а также не зависит от положения центра вращения.

Из уравнения (20) следует, что фазовый сдвиг прямо пропорционален Ω, и поэтому этот метод весьма удобен для построения инерциальных систем управления. Наилучшие из разработанных на данный момент устройств могут обнаруживать вращение со скоростью до 0,00001 градусов в час.

2.5  Магнитооптический эффект Фарадея 

В 1845 г. Майкл Фарад ей обнаружил, что, когда плоскополяризованный свет проходит через стекло, к которому приложено сильное магнитное поле вдоль направления распространения света, плоскость поляризации поворачивается. Этот эффект — результат взаимодействия магнитных полей света и электронных орбиталей. Угол поворота определяется уравнением

                                                   (21)

где dl — инкремент замкнутого кольцевого пути вдоль линии поля Н, а Vпостоянная Верде для величины эффекта в данном веществе. Постоянная V зависит от длины волны, а вот температура мало влияет на величину эффекта. Типичное значение этой константы для ближней инфракрасной области в плавленом кварце — 5 • 10-6 рад/А. Время отклика магнитооптических сенсоров гораздо меньше, чем магнитострикционных. Достигнута ширина полосы частот в 1 ГГц.

Наиболее полезное применение этой технологии — разработка волоконно-оптического сенсора тока (рисунок 15). Пионерская работа в этом направлении была выполнена Роджерсом (1979) для исследовательского центра британских энергосистем на электростанции в Фавли. Сенсор был создан навивкой оптического волокна на токопроводящую шину. По закону Ампера

                                              I=                                                  (22)

поэтому уравнение (40) преобразуется в

 θ=nVI                                                     (23)

где п — количество оборотов волокна. Поскольку размер и положение шины не фигурируют в расчете, вибрации проводника не важны. Однако было обнаружено, что вибрация волокна влияет на поляризацию.

Рисунок 15– Волоконно-оптический сенсор тока

Поляризацию можно измерить с помощью призмы Волластона. Из нее выходят два ортогональных линейно поляризованных выходных пучка.

Измеряются интенсивности двух пучков I1 и I2, и при помощи дробного соотношения определяется

                                                                                                (24)

где К — постоянная данного волокна. Использование такого подхода устраняет проблемы нестабильности источника света и изменения длины пути. Подобные исследования проводились также Сименсом в Мюнхене и Кема в Голландии.

2.6 Эффект Керра

В 1875 г. Керр открыл, что при приложении электрического поля к изотропному диэлектрику он становится двулучепреломляющим. Плоскополяризованная световая волна с вектором электрического поля, направленным вдоль приложенного внешнего поля, замедляется этим полем. В рассмотренном выше магнитооптическом эффекте Фарадея магнитное поле световой волны взаимодействует с вращательным движением электронных орбиталей. В эффекте Керра электрическое поле света взаимодействует с линейной компонентой движения электронов по орбиталям. Эффект Керра численно оценивается изменением показателя преломления, вызванного электрическим полем, и зависит от квадрата этого поля:

                                         Δn=                                                 (25)

где К — коэффициент Керра. Результирующая разность фаз φ, полученная волной вследствие приложенного поля, определяется через уравнения в виде:

                                       φ=2πK                                              (26)

Время отклика эффекта Керра — порядка 1 пс, что позволяет его использовать в высокоскоростных оптических затворах.

Наблюдая изменения в поляризации, можно измерять напряженность электрического поля. Плоскополяризованная волна под углом 45° к измеряемому полю вводится в оптическое волокно и становится эллиптически поляризованной вследствие замедления ее компоненты, направленной вдоль внешнего поля. Затем форма эллипса анализируется для измерения напряженности поля.

В исследовательском центре британских энергосистем были разработаны сенсоры как тока, так и напряжения. Для измерения напряжения электрическое поле должно быть приложено поперек волокна. Это достигалось установкой волокна в форме спирали и передачей импульса света при высоком напряжении в линии, а отражение его обратно в приемник — при нулевом потенциале. Состояние поляризации зависит от квадрата электрического поля, как показывает уравнение (26). Вследствие этой нелинейности, устройства измерения напряжения оказалось создать гораздо труднее, чем измерители тока, по причине локальных вариаций электрического поля, возникающих в поперечном сечении волокна. Они могли появиться из-за пыли, влажности или вибрации. Было предположение, что разработка специального волокна с кристаллической структурой, имеющего линейный, а не квадратичный отклик, могла бы решить эту проблему. С другой стороны, применение оптической поляризационной рефлектометрии,  могло бы предотвратить накопление ошибки, возникающей вследствие нелинейности.

Эффект Керра также может возникать за счет взаимодействия с электрическим полем другой световой волны внутри диэлектрика. Он называется оптическим эффектом Керра[8]. 

2.7 Фотоупругий эффект

Вещество считается обладающим фотоупругими свойствами, если его показатель преломления можно изменить некоторым приложенным механическим напряжением σ или деформацией ε. Фотоупругость была открыта Брюстером в 1816 г. Световая волна с плоскостью поляризации в том же направлении, что и напряжение, распространяется быстрее, чем волна ортогональной поляризации. Обычные вещества, проявляющие фотоупругие свойства — желатин, стекло и поликарбонат. Инженерами, занимающимися исследованием механических напряжений, это явление использовалось на протяжении нескольких десятилетий. Обычно из поликарбоната или подобного фотоупругого материала строится модель структуры, подлежащей исследованию. Белый свет поляризуется, проходит через исследуемую модель и наблюдается через другой поляризатор. Напряжения в фотоупругом материале, как говорят, вызывают задержку между ортогонально поляризованными компонентами световой волны. Это приводит к деструктивной интерференции на определенной длине волны. Наблюдатель видит дополнительные цвета в местах локализации напряжений. Плотность этих интерференционных полос показывает величины напряжений.

Далее описано, как можно осуществить количественный анализ напряжения или деформации. Рисунок 16 иллюстрирует волну, распространяющуюся в направлении z через фотоупругое вещество, испытывающее напряжение в направлении х. Задержку характеризует следующее соотношение:

задержка = напряжение  оптический коэффициент напряжения  оптический путь.

Задержку обычно приводят в величине физической длины, например 150 нм, что можно выразить как фазовый сдвиг:

фазовый сдвиг = напряжение  оптический коэффициент напряжения оптический путь  

или

.                                          (27)

В некоторых случаях оказывается предпочтительным работать с деформацией. Тогда задержка определится как

задержка = деформация

оптический коэффициент деформации  оптический путь.

Уравнение (47) в этом случае принимает вид

                                   .                                               (28)

Рисунок 16 – Фотоупругий эффект

В обычной конфигурации перед фотоупругим материалом расположен поляризационный фильтр. Его плоскость поляризации ориентирована под углом 45° к оси х. Свет от неполяризованного источника, пройдя поляризатор, будет иметь равные плоскополяризованные компоненты в направлениях х и у. Свет после образца проходит еще через один поляризатор, расположенный на его пути, и, наконец, фотоприемник просто измеряет оптическую мощность. Опираясь на уравнения для электрической и магнитной энергий, заключенных в электромагнитной волне, можно показать, что мгновенная скорость потока энергии через единицу площади Рвекторное произведение Е и Н:

Р=Е    Н                                                 (29)

Р известен как вектор Пойнтинга и его направление — это направление потока энергии. Средняя скорость потока энергии через единицу площади, обычно называемая интенсивностью, определяется среднеквадратическими значениями Е и Н. Для плоской волны полезным соотношением является отношение Е к Н, оно называется внутренним импедансом среды Z0.  

Для плоской волны, поляризованной в любой плоскости, интенсивность пропорциональна квадрату амплитуды электрического поля в этой плоскости.

Разработка волоконно-оптических сенсоров с использованием фотоупругости началась поколение тому назад. Спиллман, например,  применил их как датчик давления. Кроме того, в различных исследовательских учреждениях были разработаны гидрофоны и акселерометры. Американская Военно-морская исследовательская лаборатория проявляла интерес к подобным устройствам в начале восьмидесятых годов.  

2.8 Физическая деформация. Микроизгибы

Ранее было рассмотрено  распространение света по оптическому волокну и необходимость полного внутреннего отражения на его границах. Расчеты производились в предположении, что ось волокна прямая и не имеет изгибов. При построении сенсоров на микроизгибах кривизна оси волокна изменяется под воздействием измеряемой величины, за счет чего возникают потери при пропускании света. Структура сенсора показана на рис. 34

Рисунок 17 – Сенсор на основе микроизгибов: а) – общая структура; б) – механизм потерь

Метод микроизгибов был использован при построении сенсоров положения, силы, давления, механического напряжения, ускорения и вибрации. Достигнута нелинейность менее 1%.


2.9
Принципы преобразования сигналов в волоконно-оптических преобразователях

 По принципу действия все волоконно-оптические датчики физических величин делятся на четыре класса в соответствии с тем, какой из параметров оптической волны, распространяющейся по волокну, используется для получения информации об измеряемом физическом воздействии: амплитуда электрического поля, фаза, состояние или направление поляризации или частота.

Принцип действия обобщенного волоконно-оптического датчика состоит в следующем. Оптическое излучение от источника проходит через передающий оптический канал на чувствительный элемент (ЧЭ), находящийся под воздействием измеряемой величины. В результате физического действия оптические свойства ЧЭ изменяются, что в свою очередь приводит к изменению параметров оптического излучения. Далее преобразованное оптическое излучение через приемный оптический канал поступает  в регистрирующее устройство. Структура преобразований в волоконно-оптическом датчике показана на рисунке 18.

Рисунок 18 – схема канала преобразования информации  в ВОП

Рисунок 19 – Структура преобразований  в ВОД

В основу классификации волоконно-оптических датчиков целесообразно

положить различия оптических схем модуляции света, фазовой модуляции света (интерференционные), поляризационные датчики, частотные датчики.

  1.  Волоконно-оптические датчики (ВОД) с амплитудной модуляцией разичаются способом осуществления модуляции, в частности, имеются датчики с измеряемым коэффициентом поглощения материала чувствительного элемента; отражательно-пропускательного типа (со шторками,встречными решётками, с относительным перемещением источников и приёмников излучения); с нарушением полного внутреннего отражения (с изменяемой площадью оптического контакта, с измеряемым показателем преломления); на основе управления излучением в световодах (управляемая связь световодов, преобразование мод и т.п.). Чувствительный элемент в таких датчиках представляет собой либо специально встроенное в волоконно-оптический тракт модулирующее устройство, либо введенную в волоконную линию нерегулярность (разрыв, изгиб и т.д.). Такие нерегулярности могут существенно менять амплитудную передаточную характеристику волокна. Для детектирования модулированного светового сигнала применяется обычная методика фотодетектирования.
  2.  Волоконно-оптические датчики с фазовой модуляцией (интерференционные) представляют собой устройства, регистрирующие изменение фазы оптического излучения, распространяющегося по оптическому каналу. Эти датчики используют эффект накапливающегося изменения фазы в протяжённом отрезке волокна. Изменения возникают при внешнем воздействии на материал канала и регистрируются интерферометрическим методом при наложении сигналов измерительного и контрольного каналов. В основу действия датчиков фазовой модуляции положен один из трех принципов: интерферометра Маха - Цендера (волоконно-оптические, интегральные); межмодовой интерференции - двухмодовые, многомодовые, с модами одной (или разной) поляризации; одноволоконного интерферометра с  двунаправленной оптической связью (оптические, волоконные); известныы также датчики на основе интерферометра Фабри - Перо. Для детектирования сигнала фазовых волоконно-оптических датчиков необходимо применять когерентные методы - гомо- и гетеродинное детектирование.
  3.  Поляризационные датчики основаны на зависимости изменения поляризации излучения при прохождении его через оптические среды, находящиеся под воздействием измеряемой величины. Для детектирования поляризационно-модулированного сигнала применяется схема со скрещенными поляроидами.
  4.  Частотные датчики представляют собой устройства, в которых исследуемое физическое воздействие изменяет частоту ω генерируемого, отражённого или пропускаемого света. Применение поляризационного представления измерительной информации  требует специальной элементной базы (световодов, ответвителей и  др.), сохраняющей плоскость поляризации проходящего излучения.

Создание этой элементной базы находится в настоящее время на начальной стадии, поэтому ВОД с поляризационным представлением измерительной информации пока не могут составить конкуренцию другим видам.

При передаче измерительной информации путем модуляции фазы типической волны возникают проблемы с мультиплексированием информации (т.е. передачей по одному общему световоду измерительной информации от нескольких датчиков). Кроме того, в связи с высокой частотой оптических волн даже незначительные деформации световодов, вызванные дестабилизирующими воздействиями, приводят к паразитной модуляции фазы передаваемого излучения. Это определяет низкую устойчивость, фазовых ВОД к дестабилизирующим воздействиям.

Более перспективно использование цифровых методов передачи информации в ВОД, отличающихся, с одной стороны, удобством и простотой мультиплексирования измерительной информации, а с другой - высокой устойчивостью к дестабилизирующим воздействиям. Достоинством цифровых методов передачи информации являются также удобство сопряжения с ЭВМ, общая элементная база с цифровыми волоконно-оптическими линями связи.

Однако в настоящее время круг ВОД с цифровым выходным сигналом достаточно ограничен. Использование же дополнительных устройств для преобразования аналоговых выходных сигналов ВОД в цифровую форму, как правило, приводит к необходимости двойного оптоэлектронного и электрооптического преобразования, а, следовательно, резко ухудшает массогабаритные показатели, повышает энергопотребление, снижает помехозащищенность информации.

В то же время частота оптической волны, частота и фаза сигнала, модулирующего оптическое излучение, при распространении его по световоду практически не зависят от дестабилизирующих воздействий. Это обусловлено слабым влиянием интенсивности излучения на данные параметры, а, следовательно, и на измерительную информацию.

Таким образом, с точки зрения создания ВОД физических величин, устойчивых к дестабилизирующим воздействиям, наиболее перспективными являются направления создания ВОД на основе использования в качестве информационных характеристик частоты и фазы сигнала, модулирующего интенсивность оптического излучения, а также частоты оптической волны. При частотном представлении измерительной информации, кроме того, существенно упрощается построение мультиплексных сетей ВОД [9].


3 ИСТОЧНИКИ ПОГРЕШНОСТЕЙ, ОГРАНИЧИВАЮЩИХ ТОЧНОСТЬ ИЗМЕРЕНИЙ НА ОСНОВЕ ДАННОГО ФИЗИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА

По причине возникновения погрешностей можно выделить следующие:

Инструментальные погрешности — погрешности, которые определяются погрешностями применяемых средств измерений и вызываются несовершенством принципа действия, неточностью градуировки шкалы, ненаглядностью прибора.

Методические погрешности — погрешности, обусловленные несовершенством метода, а также упрощениями, положенными в основу методики.

Субъективные / операторные / личные погрешности — погрешности, обусловленные степенью внимательности, сосредоточенности, подготовленности и другими качествами оператора.

В технике применяют приборы для измерения лишь с определённой заранее заданной точностью — основной погрешностью, допускаемой в нормальных условиях эксплуатации для данного прибора.

Если прибор работает в условиях, отличных от нормальных, то возникает дополнительная погрешность, увеличивающая общую погрешность прибора. К дополнительным погрешностям относятся: температурная, вызванная отклонением температуры окружающей среды от нормальной, установочная, обусловленная отклонением положения прибора от нормального рабочего положения, и т. п. За нормальную температуру окружающего воздуха принимают 20 °C, за нормальное атмосферное давление 101,325 кПа.

Обобщённой характеристикой средств измерения является класс точности, определяемый предельными значениями допускаемых основной и дополнительной погрешностей, а также другими параметрами, влияющими на точность средств измерения; значение параметров установлено стандартами на отдельные виды средств измерений. Класс точности средств измерений характеризует их точностные свойства, но не является непосредственным показателем точности измерений, выполняемых с помощью этих средств, так как точность зависит также от метода измерений и условий их выполнения. Измерительным приборам, пределы допускаемой основной погрешности которых заданы в виде приведённых основных (относительных) погрешностей, присваивают классы точности, выбираемые из ряда следующих чисел: (1; 1,5; 2,0; 2,5; 3,0; 4,0; 5,0; 6,0)*10n, где показатель степени n = 1; 0; −1; −2 и т. д.

Например, волоконно-оптические интерферометрические датчики температуры. В сенсорных устройствах этого типа используются два физических эффекта, имеющих место при температурных воздействиях на оптическое волокно: изменение геометрических размеров материала световода и изменение его показателя преломления. В результате этих эффектов меняется фаза световой волны, прошедшей по волокну, что регистрируется с помощью волоконно-оптического интерферометра.

Волоконно-оптические интерферометрические термометры обладают высокой разрешающей способностью, достигающей 10-3…10-4 ОС, обеспечивающей точные измерения термоаномалий, но недостаточная стабильность характеристики преобразования существующих датчиков пока не позволяет использовать их в качестве измерителей абсолютных значений температуры.


                                        ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной курсовой работе был рассмотрен эффект полного внутреннего отражения в оптических волноводах. Данный материал позволяет получить сведения о явлениях и процессах, которые наибольшим образом связаны с рассмотренным эффектом. Также он дает представление об основных способах и приемах использования эффекта полного внутреннего отражения.

Были изложены сведения о роли эффекта в нашей жизни, а также области применения данных методов в жизни человека.


СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

  1.  Ландсберг Г.С. Оптика,2003
  2.  Окоси Т.Волоконно-оптические датчики.1990, С.256.
  3.  Джексон Р.Г. Новейшие датчики, 2007. С. 384
  4.  Фрайден Дж. Современные датчики. Справочник.2005. С. 592.
  5.  Аш Ж. датчики измерительных систем,1992
  6.  Виглеб Г. Датчики. Устройство и применение,1989
  7.  Зак Е.А. Волоконно-оптические преобразователи с внешней модуляцией
  8.  Мейзда Ф. Электронные измерительные приборы и методы измерений,1990
  9.  Бусурин В.И., Носов Ю.Р. Волоконно-оптические датчики: физические осоновы, вопросы расчёта и применение,1990
  10.           Волоконно-оптические датчики. Под ред. Э. Удда 2008. -526 с.

41


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

38747. Обеспечение защиты при косвенном прикосновении при электроснабжении от источников бесперебойного питания статического типа в установках с системами заземления TN и IT с применением автоматического отключения питания 2.09 MB
  Последнее время всё большее распространение получают технологии и агрегаты, требующие бесперебойного электроснабжения. Перерыв электроснабжения ответственных потребителей может за собой опасность для жизни людей, угрозу для безопасности государства, значительный материальный ущерб, расстройство сложного технологического процесса, Для предотвращения нарушения питания таких электроприемников должно предусматриваться дополнительное питание от независимого источника питания.
38748. Экономика фирмы. МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ 247.5 KB
  68 Экономика программа Экономика фирмы подготовка и защита магистерской диссертации Ижевск 2012 УДК 330:001. Рецензент: Редакция авторов В методических рекомендациях рассмотрены вопросы организации итоговой аттестации магистрантов требования к подготовке выполнению и защите магистерской диссертации. Выбор и формулировка темы магистерской диссертации. Утверждение темы магистерской диссертации.
38749. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ МАГИСТЕРСКОЙ ДИССЕРТАЦИИ ПО НАПРАВЛЕНИЮ МЕНЕДЖМЕНТ 465 KB
  Шубин МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ МАГИСТЕРСКОЙ ДИССЕРТАЦИИ ПО НАПРАВЛЕНИЮ 080200 –МЕНЕДЖМЕНТ Рекомендовано к изданию Редакционноиздательским советом института ОБНИНСК 2011 УДК 336 Методические указания по выполнению магистерской диссертации по направлению 080200 – Менеджмент Сост. Методические рекомендации предназначены для студентов очной очнозаочной и заочной форм обучения по магистерским образовательным программам направления 080200 – Менеджмент для оказания помощи при подготовке выпускной квалификационной работы –...
38750. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ. Менеджмент 320 KB
  БОРЗЕНЕЦ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ по подготовке и защите магистерской диссертации Направление менеджмент 080200. Методические указания по подготовке и защите магистерской диссертации: направление менеджмент 080200.36 Методические указания предназначены для оказания помощи студентам первого и второго года обучения в магистратуре по организации научных исследований и написанию магистерской диссертации на соискание степени магистра по направлению менеджмент 080200. Контроль за написанием магистерской диссертации [2] Организация работы по выполнению...
38752. СИЛА МОМЕНТА РУКОВОДСТВО ПО ДУХОВНОМУ ПРОСВЕТЛЕНИЮ 986.5 KB
  ДИКАРЛО ВВЕДЕНИЕ ПЕРВОПРИЧИНА ЭТОЙ КНИГИ ИСТИНА КОТОРАЯ ВНУТРИ ТЕБЯ ГЛАВА ПЕРВАЯ: ТЫ ЭТО НЕ ТВОЙ УМ САМОЕ БОЛЬШОЕ ПРЕПЯТСТВИЕ НА ПУТИ К ПРОСВЕТЛЕНИЮ ОСВОБОЖДЕНИЕ СЕБЯ ОТ УМА ПРОСВЕТЛЕНИЕ: ВОСХОЖДЕНИЕ НАД МЫШЛЕНИЕМ ЭМОЦИЯ: РЕАКЦИЯ ТЕЛА НА СОСТОЯНИЕ УМА ГЛАВА ВТОРАЯ: СОЗНАНИЕ: ПУТЬ ПРОЧЬ ОТ БОЛИ ПЕРЕСТАНЬ СОЗДАВАТЬ БОЛЬ В НАСТОЯЩЕМ БОЛЬ ИЗ ПРОШЛОГО: РАСТВОРЕНИЕ ТЕЛА БОЛИ ОТОЖДЕСТВЛЕНИЕ ЭГО С ТЕЛОМ БОЛИ ПЕРВОПРИЧИНА СТРАХА КАК ЭГО ИЩЕТ ЦЕЛОСТНОСТЬ ГЛАВА ТРЕТЬЯ: УГЛУБЛЯЯСЬ В МОМЕНТ СЕЙЧАС НЕ ИЩИ СЕБЯ В УМЕ ПОКОНЧИ С ИЛЛЮЗИЕЙ ВРЕМЕНИ НИЧТО НЕ...