WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 |
ФИЗИКА ФИЗИКА ПРОБЛЕМА “ЧУВСТВИТЕЛЬНОЙ КОЖИ” И ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ О. Б. ВИТРИК Дальневосточный государственный технический университет, Владивосток ВВЕДЕНИЕ Эффективное управление сложными современными SMART SKIN PROBLEM приборами и аппаратами требует оценки внешних фиAND FIBRE-OPTICAL зических воздействий на их покровные поверхности.

MEASURING SYSTEMS Подобно живым существам, такие устройства должны чувствовать изменения в окружающей среде областей O. B. VITRIK науки и техники. Обычный путь очувствления поверхностей состоит в размещении на них набора стандартA problem of the development of a smart skin ных измерительных устройств. Этот путь не всегда приwhich produces signals on the dynamic емлем на практике. Являясь, как правило, объемными, changes in its configuration and on internal жесткими и достаточно массивными, стандартные датчики могут изменить механические параметры покровphysical effects is discussed. The problem can ной поверхности, изменить ее конфигурацию и исbe solved by placing special sensitive optical казить картину внешних воздействий. По-видимому, fibers on (or under) the skin’s surface. The senоптимальное решение состоит в размещении под (или sitivity of the fiber sensors to deformational над) поверхностью некоторого аналога легких и эласvalues and principles of fiber-optic measuring тичных нервных волокон кожных покровов человека или животного. Этой цели хорошо отвечают оптичесsystems are considered.

кие волокна, которые отличаются предельно низким удельным весом, эластичностью (относительное удлиРассмотрена проблема создания “чувствинение до 5%, радиус изгиба до 3 мм) и высокой чувсттельной кожи”, способной вырабатывать вительностью к физическим воздействиям [1]. Задача сигнал о динамическом изменении своей создания “чувствительной кожи”, способной вырабатывать сигнал о динамическом изменении своей конконфигурации и физических воздействиях фигурации и иных физических воздействиях, является на нее. Показано, что проблема может одной из ключевых для дальнейшего развития роботобыть решена при размещении под (или техники, самолетостроения, судостроения и многих над) поверхностью “кожи” чувствительдругих областей применения “чувствительной кожи”.

ных оптических волокон. Рассмотрены меВОЛОКОННЫЕ СВЕТОВОДЫ ханизмы чувствительности оптических И ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА волокон к деформационным воздействиям НА ИХ ОСНОВЕ и принципы волоконно-оптических измериВолоконный световод (рис. 1, а) состоит из сердцевительных систем на основе этих волокон.

ны и оболочки, которые выполняются из специального кварцевого стекла. Показатель преломления оболочки выбирается несколько более низким, чем у сердцевины. Поэтому световые лучи, падающие под достаточно www.issep.rssi.ru большими углами из сердцевины на границу с оболочкой, будут испытывать полное внутреннее отражение.

СОРОСОВСКИЙ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ ЖУРНАЛ, ТОМ 7, №1, Витрик О.Б., © ФИЗИКА где – фаза волны на выходе из волокна, L = 2 nэф---, (2) а б 1 – длина волны, nэф – эффективный показатель преломления для направляемого света, L – длина световода, E – амплитуда вектора напряженности, – часто1 та электромагнитных колебаний, t – время. Каждый из упомянутых в выражении (1) параметров волны может изменяться при внешних воздействиях на световод, что можно использовать для целей регистрации. В зависив г мости от того, какой параметр преобразуется, волоконные приемники делят на амплитудные (с изменением абсолютной величины вектора E или, что эквивалентно, интенсивности волны, пропорциональной E ), поляризационные (с изменением направления колебаРис. 1. Волоконный световод и амплитудные датчики на его основе. а – устройство световода: 1 – сердний вектора E ), спектральные (с изменением частотцевина, 2 – оболочка, 3 – полимерное покрытие.

Красным цветом показаны траектории распростра- ного спектра направляемых световодом волн) и фазовые нения световых лучей в сердцевине световода; б – (с изменением ). Объем статьи не позволяет подробно распространение лучей в изогнутом световоде.

рассмотреть все типы приемников, поэтому останоВидно, что на изогнутом участке угол падения навимся на наиболее распространенных.

правляемых лучей уменьшается. Поэтому часть световой мощности проникает в оболочку оптического Простейшим амплитудным датчиком является отволокна; в – устройство датчика на микроизгибах резок световода, изгибаемый под действием давления, световода: 1 – световод, 2 – шероховатые поверхности. Обжатие световода шероховатыми поверхнос- усилия, перемещения или иных деформационных ветями ведет к появлению микроизгибов и перерас- личин. Изгиб волокна ведет к уменьшению угла падепределению части световой мощности в оболочку ния направляемых лучей на границу раздела сердцевиволокна; г – датчик с брэгговской решеткой: 1 – свена–оболочка (рис. 1, б), что приводит к нарушению товод, 2 – решетка. Внешнее воздействие меняет период решетки, что приводит к перенастройке по- условий полного внутреннего отражения. В результате следней на новую длину волны часть направляемого излучения вытекает в оболочку, где теряется. Поэтому интенсивность света на выходе В результате эти лучи, называемые направляемыми, из световода уменьшается, что можно зарегистриробудут распространяться по световоду по зигзагообразвать обычным фотодиодом.

ной траектории так, как это показано на рис. 1, а. СоЕсли отрезок световода прикрепить к поверхности временная технология построения оптических воло“чувствительной кожи”, то он мог бы вырабатывать кон настолько совершенна, что направляемые лучи амплитудный сигнал о ее изгибах. Однако на практике могут распространяться по световодам на десятки китакие устройства не используют. Стандартные световолометров без существенных потерь энергии. В настояды предназначены в первую очередь для линий связи, щее время волоконные световоды широко применяют где амплитудная чувствительность к изгибам может для оптической связи (телеграф, телефон и т.п.). Друстать источником дополнительных помех. Поэтому прогим, более важным направлением является использоизводители световодов добиваются того, чтобы интенвание оптических волокон в качестве чувствительных сивность направляемого излучения заметно изменялась элементов приемников физических величин. Рассмотлишь при очень малых радиусах кривизны волокна, рим физические основы работы таких приемников.



фактически тогда, когда начинается его механическое Известно, что обычные фотоэлектронные прибо- разрушение.

ры регистрируют электрическую компоненту световой Увеличения амплитудной чувствительности световолны. Поэтому нас будет интересовать напряженвода можно достичь за счет использования дополность именно электрического поля. Для прошедшего нительных механических элементов. Например, при световод излучения она может быть записана как сжатии волокна между двумя шероховатыми поверхностями (рис. 1, в) возникает большое количество микроизгибов, которые гораздо сильнее влияют на E = E cos( t + ), (1) ВИТРИК О.Б. ПРОБЛЕМА “ЧУВСТВИТЕЛЬНОЙ КОЖИ” И ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ФИЗИКА интенсивность светового потока, чем единый макро- ны. Для этого в световод вводят излучение с широким скопический изгиб. Другой способ состоит в том, что к спектром. Назад же приходит монохроматическая волучастку световода с предварительно снятой оболочкой на с длиной, равной 2Dnэф, где D – период решетки.

прижимается прозрачный объект. Последний имеет бо- Изменяется период – изменяется длина волны, что молее высокий показатель преломления, чем сердцевина жет быть зарегистрировано спектроанализатором. Данволокна, что обусловливает нарушение условий полно- ный метод приема является спектральным. Благодаря го внутреннего отражения и частичный отток направ- высокой чувствительности он в настоящее время счиляемого излучения. Как следствие – интенсивность тается наиболее перспективным для измерения мехасвета на выходе световода уменьшается. нических напряжений на поверхности “чувствительной кожи”.

Для установки дополнительных конструкционных элементов нужен специальный механизм, размещение Фаза направляемой световодами волны, как следует которого на поверхности “кожи” сопряжено с дополиз выражения (2), изменяется при изменении оптичеснительными трудностями. Движущиеся части такого кого пути света в волокне, а значит, и при всех воздейстмеханизма требуют высокой точности исполнения и виях, влияющих на длину световода. Если световод тщательной юстировки. Поэтому для создания “чувстжестко прикреплен к “чувствительной коже”, то при вительной кожи” более перспективным считается иной изменении ее конфигурации он растянется или сометод амплитудной модуляции светового потока в свежмется. При этом световод выработает фазовый сигнал товодах. Этот путь не требует использования каких-лиоб изменении своей длины без использования какихбо внешних по отношению к световоду механических либо дополнительных устройств. Понятно, что такой элементов. Он состоит в создании на участке волокна способ приема привлекателен для отслеживания фортак называемых брэгговских дифракционных решеток.

мы “кожи”.

Дифракционная решетка (рис. 1, в) может быть Из-за высокой частоты света ( 1015 Гц) ни один из сформирована в волокне, изготовленном из кварца с современных фотоприемников не способен зарегистпримесью германия [3]. Под воздействием ультрафиорировать фазовый сигнал непосредственно. В оптике летового излучения показатель преломления такого фазовые сигналы регистрируют методами интерфероволокна меняется. Поэтому при освещении участка метрии. Рассмотрим наиболее распространенные схесветовода интерференционным полем двух когерентмы волоконных интерферометров.

ных ультрафиолетовых пучков показатель преломления Интерферометр Маха–Цендера (рис. 2, а) содержит будет изменяться вдоль оси волокна по синусоидальнодва световодных плеча. Одно из них является опорным му закону в соответствии с распределением интенсивно(4), его стремятся изолировать от внешних воздействий;

сти интерференционного поля. Штрихи формируемой второе – сигнальным (5), то есть предназначенным для решетки не сосредоточены на поверхности световода, а целей приема. Когерентное излучение обоих плечей проникают на всю его глубину вместе с записывающим сводится в одном приемном световоде (6), в котором излучением. Такую глубокую решетку и называют брэгформируется интерференционный сигнал. Интенсивговской. Она дает более высокую эффективность диность этого сигнала описывается выражением фракции по сравнению с обычной. Углы дифракции зависят от периода решетки. При периоде, равном I = I1 + I2 + 2 I1I2 cos( – ), 1 /2nэф, угол составляет 180°. Иными словами, решетка работает как зеркало для направляемого по световоду где и – фазы световых пучков, прошедших опор1 излучения с подходящей длиной волны. ное и сигнальное плечи, I1 и I2 – интенсивности этих пучков. Как видно, приращение фазы излучения в сигПредставим теперь, что внешнее физическое вознальном плече преобразуется в изменения интенсивдействие растягивает или сжимает область световода с ности сигнала интерференции, что может быть легко решеткой. Расстояние между штрихами изменяется и зарегистрировано обычным фотоприемником.





теперь не будет согласовано с длиной волны. Как следствие – эффективность дифракции резко уменьшится, В настоящее время конструкция фазовых датчиков что проявится в снижении интенсивности отраженно- на основе схемы интерферометра Маха–Цендера наиго света. Таким образом, регистрируя отраженное назад более отработана. Однако в случае “чувствительной по волокну излучение, можно принимать сигнал о де- кожи” такие датчики обладают серьезным недостатформационных воздействиях на решетку, а значит, и на ком: сложно поместить опорный световод где-либо на “кожу”, к которой она присоединена.

поверхности “кожи” и одновременно надежно изолиЧасто информацию о внешних воздействиях на ровать его от внешних воздействий. Существуют друбрэгговские решетки принимают не по изменению ин- гие типы волоконных интерферометров, которые сотенсивности, а по изменению длины отраженной вол- бираются по одноволоконной схеме и поэтому лишены СОРОСОВСКИЙ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ ЖУРНАЛ, ТОМ 7, №1, ФИЗИКА няется при изменении длины волокна. Поэтому изме1 2 3 6 няется и картина интерференции мод (см. рис. 2, в, а внизу), что и используется для регистрации.

Следует сказать, что в стандартных световодах разб ница между фазовыми скоростями мод мала ( nэф nэф).

Поэтому разность фаз между ними в многомодовом 1 интерферометре растет медленно. Как следствие – датв чики на основе такого устройства менее чувствительны к внешним воздействиям, чем приемники на основе интерферометрических схем Маха–Цендера и Фабри– Перо. Их преимущества в простоте оптической схемы, возможности использования недорогих низкокогерентРис. 2. Типы волоконных интерферометров: а – интерферометр Маха–Цендера: 1 – лазер; 2 и 7 – под- ных источников, а значит, в низкой стоимости. Поводящий и принимающий излучение световоды; 3 и следнее очень важно для организации “чувствительной 6 – Y-разветвители; 4 и 5 – опорный и сигнальный кожи”, требующей использования большого количестсветоводы, 8 – фотоприемное устройство; б – интерферометр Фабри–Перо: 1 – лазер; 2 и 5 – подво- ва чувствительных элементов.

дящий и принимающий излучение световоды; 3 – полупрозрачные зеркала; 4 – волоконный резонаМУЛЬТИПЛЕКСИРОВАННЫЕ тор, 6 – фотоприемное устройство; в – многомодовый интерферометр: 1 – лазер; 2 – многомодовый ВОЛОКОННЫЕ ДАТЧИКИ световод, 3 – фотоприемное устройство. Внизу показано преобразование картины интерференции Создание “чувствительной кожи” требует использовадвух мод низшего порядка при изменении длины ния специальных линий связи для передачи сигналов световода отдельных чувствительных элементов в центральную данного недостатка. Один из таких интерферометров – систему приема и обработки данных. Понятно, что при интерферометр Фабри–Перо показан на рис. 2, б. Он большом количестве измерительных устройств линии содержит световод, на торцы которого нанесены полу- связи способны загромоздить поверхность “кожи”.

прозрачные зеркальные покрытия. Когда направляе- Тем самым повышается трудоемкость ее изготовления мая волна достигает поверхности выходного торца, она и снижается надежность эксплуатации. Данную трудчастично проходит наружу и отражается назад. Отра- ность можно преодолеть, если использовать одну воложенная волна после двойного прохода по волокну вновь конную линию для связи с несколькими датчиками.

достигает выходного торца и снова делится на прошед- Иными словами, требуется организовать внутри волошую и отраженную. Такой процесс деления продолжа- конной линии несколько каналов передачи. Эта задача ется до бесконечности. В результате на выходе из све- решается методами мультиплексирования [2–4].

товода формируется оптический сигнал многолучевой В случае временного мультиплексирования (рис. 3, а) интерференции. Этот сигнал сильнее зависит от фазы в световод вводят короткий световой импульс. Каждый интерферирующих волн, чем сигнал двухлучевой интериз датчиков отражает этот импульс назад с задержкой ференции в интерферометре Маха–Цендера. Поэтому, по времени, пропорциональной удалению датчика от как правило, датчики, на основе интерферометра Фабвходного торца волокна. По времени задержки отрари–Перо более чувствительны к приращению оптичеженного импульса можно судить о том, какое из приской длины световодов. Однако они нуждаются в высоемных устройств формирует отраженный сигнал. С пококогерентных источниках и требуют использования мощью сверхбыстрой электроники задержки можно специальных электронных схем стабилизации.

измерить с точностью до нескольких наносекунд. За Еще один одноволоконный интерферометр, кото- такой промежуток свет проходит в волокне несколько рый к настоящему времени достаточно хорошо разрабо- метров. Это и есть минимально допустимое расстояние тан, – многомодовый показан на рис. 2, в. Он представ- между датчиками, необходимое для того, чтобы их сигляет световод, в котором возбуждают два или несколько налы не накладывались. Если речь идет об организации типов направляемых лучей (мод), различающихся фа- “чувствительной кожи” больших размеров, например о зовыми скоростями распространения. На выходе из чувствительной обшивке корабля или о поверхностях световода между этими лучами возникает разность фаз. зданий или мостов, то указанного пространственного Согласно выражению (2), она равна = k nэф L, где разрешения может быть вполне достаточно. Но в слу nэф – разность эффективных показателей преломле- чае небольших чувствительных поверхностей, наприния мод. Как видно, разность фаз между модами изме- мер “кожи” робота, такого разрешения не хватает.

Pages:     || 2 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.