Cтраница 4
В работе [41] предложен оригинальный способ мультиплексирования волоконно-оптических датчиков на основе кольцевых интерферометров Саньяка в квазираспределенную измерительную систему. Схема мультиплексирования датчиков показана на рис. 4.36. В основу данной схемы положен рассмотренный в разделе 4.3.3 лестничный принцип организации квазираспределенной измерительной системы, комбинируемый с им-пульсно-временным методом мультиплексирования волоконно-оптических датчиков. Как видно из рис. 4.36, волоконно-оптические датчики ( в данном случае - волоконные гидрофоны) подключаются в измерительную линию параллельно друг другу таким образом, что совместно с общей для всех датчиков волоконной линией задержки каждый из них как бы включен в свой собственный несимметричный кольцевой интерферометр Саньяка. В результате измерительная система содержит N датчиков, включенных в N отдельных кольцевых волоконных интерферометров. [46]
Поскольку же Д 1 и п ка 1, то константы распространения всех направляемых мод лишь слегка отличаются от п к. Таким образом, как видно, волоконные световоды с градиентным профилем распределения показателя преломления при прочих равных условиях способны на больших расстояниях сохранять когерентные свойства направляемого излучения, что весьма важно при конструировании фазовых волоконно-оптических датчиков. [47]
Волоконные световоды для волоконно-оптических датчиков В настоящее время главный приоритет промышленности, выпускающей волоконные световоды, состоит в создании волоконных световодов применительно к системам телекоммуникаций. Эти волокна имеют низкое затухание 0 5 дБ / км и оптимизированы для использования в спектральном диапазоне вблизи 1 3 и 1 55 мкм. Эти две длины волны излучения представляют интерес с точки зрения наличия нулевой материальной дисперсии ( 1 3 мкм) и минимума потерь ( 1 55 мкм) для одномодовых кварцевых волокон. В то же время создание волоконно-оптических датчиков требует использования излучения других областей спектра, а также многомодовых световодов. Для волоконных датчиков также большое значение имеет оптимизация подбора диаметра сердцевины, ее материала и разности показателей преломления сердцевины и оболочки. [48]
Шумы всегда являются ограничивающими факторами при проведении любых физических измерений. В волоконно-оптических измерительных системах источниками шумов являются практически все составляющие их элементы: оптические, электрооптические и электронные компоненты. Это источники излучения, электрооптические модуляторы, пассивные передающие волоконно-оптические линии связи, чувствительные элементы, фотоприемники и входящие в конструкции измерительных устройств электрические цепи. Как видно, в большинстве случаев волоконно-оптические датчики превосходят свои электронные аналоги, но тем не менее далеко не достигают рекордных результатов, что обусловлено шумами волоконно-оптических измерительных систем. [49]
Волоконно-оптические датчики в настоящее время являются одной из наиболее динамично развивающихся областей оптоэлектроники. За последние 30 лет произошел стремительный переход от простейших конструкций волоконно-оптических датчиков температуры и давления к созданию широкой номенклатуры датчиков физических величин, которые ученые и инженеры используют в разнообразных областях науки и техники уже сегодня. Интенсивное развитие и совершенствование волоконно-оптических датчиков в значительной мере стимулируется все более расширяющимся процессом внедрения волоконно-оптических телекоммуникационных сетей в повседневную жизнь. Помимо непрерывного улучшения характеристик элементной базы волоконной оптики, находящей непосредственное использование в технологии производства волоконно-оптических датчиков, это открывает широкие перспективы для создания разветвленных измерительных систем, органично сочетающих в своем составе свойства систем связи и систем мониторинга, конфигурация которых может непрерывно совершенствоваться без привлечения дополнительных магистралей связи. Важным достоинством волоконно-оптических датчиков также является привнесение в измерительные системы новых качеств, таких, как: малые размеры, устойчивость к неконтролируемым и агрессивным воздействиям окружающей среды и к электромагнитным помехам, высокая чувствительность, дистанционность измерений и возможность мультиплексирования отдельных датчиков в сложные измерительные системы, технологичность производства и потенциальная низкая стоимость. [50]
Волоконно-оптические датчики в настоящее время являются одной из наиболее динамично развивающихся областей оптоэлектроники. За последние 30 лет произошел стремительный переход от простейших конструкций волоконно-оптических датчиков температуры и давления к созданию широкой номенклатуры датчиков физических величин, которые ученые и инженеры используют в разнообразных областях науки и техники уже сегодня. Интенсивное развитие и совершенствование волоконно-оптических датчиков в значительной мере стимулируется все более расширяющимся процессом внедрения волоконно-оптических телекоммуникационных сетей в повседневную жизнь. Помимо непрерывного улучшения характеристик элементной базы волоконной оптики, находящей непосредственное использование в технологии производства волоконно-оптических датчиков, это открывает широкие перспективы для создания разветвленных измерительных систем, органично сочетающих в своем составе свойства систем связи и систем мониторинга, конфигурация которых может непрерывно совершенствоваться без привлечения дополнительных магистралей связи. Важным достоинством волоконно-оптических датчиков также является привнесение в измерительные системы новых качеств, таких, как: малые размеры, устойчивость к неконтролируемым и агрессивным воздействиям окружающей среды и к электромагнитным помехам, высокая чувствительность, дистанционность измерений и возможность мультиплексирования отдельных датчиков в сложные измерительные системы, технологичность производства и потенциальная низкая стоимость. [51]
Количество научных работ и технологических разработок в вышеперечисленных областях современного развития волоконно-оптических датчиков неуклонно растет год от года. Это, в свою очередь, ведет к росту числа публикаций, быстрой смене взглядов на принципы организации волоконно-оптических датчиков, совершенствованию технологий их производства, формированию новых идеологий построения волоконно-оптических измерительных систем, использованию новых открытий и процессов, обеспечивающих сбор, передачу и обработку информации в таких системах. Такое обилие информации значительно затрудняет процесс ориентации исследователей и разработчиков волоконно-оптической измерительной аппаратуры в определении современных тенденций ее развития. Предлагаемая монография ставит своей задачей отчасти ликвидировать этот пробел. Отметим также, что автор стремится не только представить в ней основные результаты, достигнутые руководимым им научным коллективом, но и привести обобщенное изложение принципов работы разнообразных волоконно-оптических датчиков, их мультиплексирования в распределенные измерительные системы, а также выявить перспективные пути развития распределенных волоконно-оптических измерительных систем. [52]
Однако в последнее десятилетие наметились тенденции мультиплексирования датчиков, то есть объединения однородных или разнородных волоконно-оптических датчиков в протяженные измерительные системы. Это позволяет получить значительный выигрыш в стоимости измерительных устройств и реализовать их задействование через включение в состав существующих волоконно-оптических систем телекоммуникаций. Поэтому многие исследователи интенсивно работают над поиском решения проблемы мультиплексирования / демультиплексирования сигналов таких объединенных датчиков. Результатом этой работы явились разработка распределенных ( рис. 1, б) и квази-распределенных ( рис. 1, г) датчиков, которые успешно используются в различных отраслях промышленности, в частности при анализе условий эксплуатации таких протяженных объектов, какими являются мосты, здания, дороги, взлетно-посадочные полосы и др. Как видно из приведенного рис. 1, в распределенных датчиках измерения производятся непрерывно вдоль траектории размещения чувствительного элемента. В случае же, когда волоконный световод очувствляется не по всей его длине, а лишь на отдельных его участках ( рис. 1, в), он оказывается составленным из набора большого числа последовательно соединенных точечных датчиков, ввиду чего носит название квази-распределенного датчика. В отличие от точечных волоконно-оптических датчиков, такие датчики не могут быть созданы путем применения известных технологий, поскольку необходимо создание специальных средств, позволяющих производить разделение результатов измерения параметров физических воздействий на разном удалении от входа в световод. [53]