^ НАУЧНОГО РЕДАКТОРА ПЕРЕВОДА ~ -^—-*¦
Сенсоризация производственной деятельности, т. е. замена органов чувств человека на датчики, должна рассматриваться в качестве третьей промышленной революции вслед за первыми двумя — машинно-энергетической и информационно-компьютерной. Потребность в датчиках стремительно растет в связи с быстрым развитием автоматизированных систем контроля и управления, внедрением новых технологических процессов, переходом к гибким автоматизиррванным производствам. Помимо высоких метрологических характеристик датчики должны обладать высокой надежностью, долговечностью, стабильностью, малыми габаритами, массой и энергопотреблением, совместимостью с микроэлектронными устройствами обработки информации при низкой трудоемкости изготовления и небольшой стоимости. Этим требованиям в максимальной степени удовлетворяют волоконно-оптические датчики.
Предлагаемая читателю книга японских специалистов, охватывающая разнообразные аспекты конструирования и применения волоконно-оптических датчиков, в оригинале является обзором многочисленной литературы по этой тематике. По большей части доступ к этой литературе для советского специалиста весьма ограничен. В связи с этим решено не сопровождать перевод обширными библиографическими списками и ссылками на них. Различие в обозначении одних и тех же величин, встречающееся в отдельных главах данной книги, обусловлено разным авторством использованных в оригинале публикаций, однако отнюдь не затрудняет восприятия.
Благодаря актуальности тематики и широте охвата материала книга окажется, безусловно, полезной советским специалистам, занятым разработкой и применением датчиков. ч\> и --, . >' ;. 'и ... .. ,¦., л.. те т
rh Первые попытки создания датчиков на основе оптических волокон можно отнести к середине 1970-х годов. Как показано в гл. 1 этой книги, публикации о более или менее приемлемых разработках и экспериментальных образцах подобных датчиков появились во второй половине 1970-х годов. Однако считается, что этот тип датчиков сформировался как одно из направлений техники только в начале 1980-х годов. Тогда же появился*и термин «волоконно-оптические датчики» (optical fiber sensors). Таким образом, волоконно-оптические датчики — очень молодая область техники.
Настоящая книга создана с целью систематизации сведений о различных аспектах этой новой области техники. За написание различных глав энергично взялись пять компетентных ученых-исследователей, а поскольку здесь представлены все современные направления в данной области, то вполне можно считать эту книгу своеобразным учебником.
При написании книги сначала в ходе дискуссии коллектива авторов был уточнен план изложения и определено содержание глав. Каждый автор написал отдельную главу. Затем руководитель авторского коллектива прочел все главы, заботясь об убедительности аргументации, о стройности и единстве стиля изложения.
Автор первой главы — Т. Окоси, второй — К. Окамото, третьей — М. Оцу, четвертой — X. Нисихара, пятой — К. Кюма, шестой и седьмой — К- Хататэ.
Книга как бы делится на две части. Первая (гл. 2—5; гл. 1 — вводная) касается основных элементов и устройств волоконно-оптической техники, т. е. оптического волокна, свето-излучающих и светоприемных приборов, оптических схем и элементов оптических датчиков. Во второй части (гл. 6, 7) описываются сами датчики и измерительные системы на них. Глава пятая относится к обеим частям книги. Читатели, уже имеющие представление о приборах и элементах волоконно-оптической техники, смогут получить новые сведения о сенсорной технике в целом.
Поскольку каждая глава в книге более или менее самостоятельна, порядок чтения безразличен. Например, читатель, в общих чертах знакомый с приборами и элементами волоконно-оптической техники, может начинать чтение с гл. 5 и лишь после гл. 7 вернуться к началу книги. Либо можно читать все главы в наиболее приемлемом для себя порядке, и уж, конечно, вполне резонно читать книгу в обычной последовательности.
Как бы там ни было, авторы единодушно желали сделать книгу удобной для любой работы и пригодной для чтения в произвольном порядке с учетом подготовленности читателя.
От имени авторов Таканори Окоси | июля 1986 года
поляризатора, в гироскопах же с кольцевым резонатором реше ние этой проблемы затруднено. Кроме того, в реальных высокоточных гироскопах с кольцевым резонатором, отслеживающих изменения фазы порядка 10_6 рад, требуемую точность регулировки состояния поляризации практически невозможно получить. Поэтому необходимо использование оптических волокон с сохранением поляризации и возбуждение моды только с единственной поляризацией.
Для создания таких условий возбуждения нужно, устанавливая волоконно-оптический поляризатор (см. гл. 2) в отводе отаетвителя или используя ответвитель с определенной поляризационной характеристикой, сделать так, чтобы для моды с единственной поляризацией не формировался резонатор. А учитывая возбуждение паразитных мод (из-за связи между поляризованными модами в оптическом волокне с сохранением поляризации), желательно создать для кольцевого резонатора поляризующее волокно или оптическое волокно, пропускающее свет с единственной поляризацией.
7.8. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Рассмотрен принцип действия оптических гироскопов, в том числе волоконно-оптических и гироскопов пассивного типа с кольцевым резонатором.
Описание волоконно-оптических гироскопов дано с учетом влияния различных шумовых факторов. Благодаря методу фазовой модуляции достигнута разрешающая способность и стабильность нулевой точки в соответствии с требованиями инер-циальцой навигации. С помощью метода изменения частоты и светового гетеродинирования реализован широкий динамический диапазон (от пяти до девяти порядков) и стабильный масштабный коэффициент. Волоконно-оптические гироскопы находят широкое применение. Быстрыми темпами ведется разработка различных приборов на микрооптической технологии, волоконно-оптических функциональных элементах, оптических волноводных элементах. К настоящему времени такие гироскопы среднего класса уже имеются в продаже. Кроме того, предлагаются методы улучшения характеристик гироскопов с частотной модуляцией, работающих главным образом на основе гомодинирования, активизируется их практическое изучение.
В отличие от волоконно-оптических гироскопов, где для улучшения характеристик требуется источник света низкой когерентности, в оптических гироскопах пассивного типа с кольцевым резонатором необходим источник света с высокой когерентностью. Поэтому влияние шумовых факторов в этих системах различно и требуется тщательный учет шумов резонансно
системы. В будущем можно ожидать такого же интенсивного исследования этих гироскопов, как в свое время и волоконно-оптических. Уже реализованы резонаторы на оптическом волокне, обладающие очень высокой добротностью, быстро сужается спектр полупроводниковых лазеров. В сравнении с волоконно-оптическими гироскопами чувствительное кольцо из оптического волокна меньше по размеру, поэтому. системы с кольцевым резонатором довольно перспективны.
Волоконно-оптические гироскопы отличаются от прежних | отсутствием механических систем, что делает их пригодными | не только в навигации, но и в других областях, например для контроля движения бура при бурении нефтяных скважин. Кроме того, если увеличить диаметр кольца из оптического волокна, удлинить интервал интегрирования выходного сигнала, то можно повысить чувствительность, что позволит использовать гироскоп для прогноза погоды, измерения флюктуации собственного вращения Земли и т. д.
г~ -------------------------------------------_-------------------------------------------__----------------------------^----------
Предисловие научного редактора перевода...........i , 3
Предисловие авторов ....... -'4
Глава первая. ОБЩИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ ФОН РАЗВИТИЯ '. . *.'" . 6
1.1. Введение.................. 8
1.2. Становление оптоэлектроники и появление оптических волокон —
1.3. Классификация волоконно-оптических датчиков и примеры их
применения................... 17
1.4. Краткая история исследовний и разработок....... 18
1.5. Заключение ......... 24
Плаца вторая. ОПТИЧЕСКИЕ ВОЛОКНА ДЛЯ ДАТЧИКОВ .... 26
2.1. Введение . . ;............... __
2.2. Структура. Моды . . ............... —
2.3. Классификация ................. 30
2.4. Характеристики. Физические свойства.......... 39
2.5. Элементы волоконной оптики............ 50
2.6. Заключение .... ..... 57
Глава третья. СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЕ И СВЕТОПРИЕМНЫЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ДАТЧИКОВ.................. 57
3.1. Введение.................... __
3.2. Типы и принцип действия светоизлучающих приборов ... 58
3.3. Светодиоды................... 66
3.4. Газовые лазеры................. 70
3.5. Полупроводниковые лазеры............. 73
3.6. Светоприемные приборы............... 97
3.7. Заключение................ юб
"лава четвертая. ОПТИЧЕСКИЕ СХЕМЫ ДЛЯ ДАТЧИКОВ . . 108
4.1. Введение.............v _ . ... —
4.2. Оптические элементы . :.............. —
4.3. Изоляторы ............¦'¦**>......ИЗ
4.4. Соединительные и разделительные фильтры........115
4.5. Модуляторы . . . .........". . . ... . 117
4.6. Устройства для сдвига частоты света . ... . ." . . . 122
255 I
4.7. Интегральные оптические схемы............124
4.8. Заключение...................132
Глава пятая. ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ С ВОЛОКНОМ
В КАЧЕСТВЕ ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ..............133
5.1. Введение....................— i
5.2. Базовая техника..................— ¦
5.3. Датчики на основе изменения интенсивности света.....144
5.4. Датчики на основе поляризации света.........157
5.5. Датчики на основе сдвига частоты света ........ 168
5.6. Области применения................175
5.7. Заключение...................176
Глава шестая. ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ С ВОЛОКНОМ
В КАЧЕСТВЕ ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА........177
6.1. Введение....................—
6.2. Функции и структуры волоконно-оптических чувствительных : элементов....................178 [
6.3. Датчики на основе интерференции..........184
6.4. Датчики на основе изменения потерь..........209
6.5. Датчики распределения...............211
6.6. Заключение...................216
Глава седьмая. ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ГИРОСКОПЫ . ... 217
7.1. Введение . .................—
с д 7.2. Эффект Саньяка .................218
7.3. Системы оптических гироскопов............220
7.4. Методы повышения чувствительности..........225
— 7.5. Шумовые факторы и методы их устранения.......233
с 7.6. Характеристики и методы их улучшения........240
Г 7.7. Гироскопы пассивного типа с кольцевым резонатором . . . 247
7.8. Заключение...................254
Цена: 300руб.
