Портал | Содержание | О нас | Авторам | Новости | Первая десятка | Дискуссионный клуб | Чат Научный форум --> Первая десятка "Русского переплета" Темы дня:

Президенту Путину о создании Института Истории Русского Народа. |Нас посетило 40 млн. человек | Чем занимались русские 4000 лет назад?

| Кому давать гранты или сколько в России молодых ученых?

Рассмотрена проблема создания "чувствительной кожи", способной вырабатывать сигнал о динамическом изменении своей конфигурации и физических воздействиях на нее. Показано, что проблема может быть решена при размещении под (или над) поверхностью "кожи" чувствительных оптических волокон. Рассмотрены механизмы чувствительности оптических волокон к деформационным воздействиям и принципы волоконно-оптических измерительных систем на основе этих волокон.

И ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ

О. Б. ВИТРИК

Дальневосточный государственный технический университет, Владивосток

ВВЕДЕНИЕ

Эффективное управление сложными современными приборами и аппаратами требует оценки внешних физических воздействий на их покровные поверхности. Подобно живым существам, такие устройства должны чувствовать изменения в окружающей среде областей науки и техники. Обычный путь очувствления поверхностей состоит в размещении на них набора стандартных измерительных устройств. Этот путь не всегда приемлем на практике. Являясь, как правило, объемными, жесткими и достаточно массивными, стандартные датчики могут изменить механические параметры покровной поверхности, изменить ее конфигурацию и исказить картину внешних воздействий. По-видимому, оптимальное решение состоит в размещении под (или над) поверхностью некоторого аналога легких и эластичных нервных волокон кожных покровов человека или животного. Этой цели хорошо отвечают оптические волокна, которые отличаются предельно низким удельным весом, эластичностью (относительное удлинение до 5%, радиус изгиба до 3 мм) и высокой чувствительностью к физическим воздействиям [1]. Задача создания "чувствительной кожи", способной вырабатывать сигнал о динамическом изменении своей конфигурации и иных физических воздействиях, является одной из ключевых для дальнейшего развития робототехники, самолетостроения, судостроения и многих других областей применения "чувствительной кожи".

ВОЛОКОННЫЕ СВЕТОВОДЫ

И ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА

НА ИХ ОСНОВЕ

Волоконный световод (рис. 1, а) состоит из сердцевины и оболочки, которые выполняются из специального кварцевого стекла. Показатель преломления оболочки выбирается несколько более низким, чем у сердцевины. Поэтому световые лучи, падающие под достаточно большими углами из сердцевины на границу с оболочкой, будут испытывать полное внутреннее отражение. В результате эти лучи, называемые направляемыми, будут распространяться по световоду по зигзагообразной траектории так, как это показано на рис. 1, а. Современная технология построения оптических волокон настолько совершенна, что направляемые лучи могут распространяться по световодам на десятки километров без существенных потерь энергии. В настоящее время волоконные световоды широко применяют для оптической связи (телеграф, телефон и т.п.). Другим, более важным направлением является использование оптических волокон в качестве чувствительных элементов приемников физических величин. Рассмотрим физические основы работы таких приемников.

Известно, что обычные фотоэлектронные приборы регистрируют электрическую компоненту световой волны. Поэтому нас будет интересовать напряженность именно электрического поля. Для прошедшего световод излучения она может быть записана как

где j - фаза волны на выходе из волокна,

l - длина волны, nэф - эффективный показатель преломления для направляемого света, L - длина световода, - амплитуда вектора напряженности, w - частота 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 зависимости от того, какой параметр преобразуется, волоконные приемники делят на амплитудные (с изменением абсолютной величины вектора или, что эквивалентно, интенсивности волны, пропорциональной ), поляризационные (с изменением направления колебаний вектора ), спектральные (с изменением частотного спектра направляемых световодом волн) и фазовые (с изменением j). Объем статьи не позволяет подробно рассмотреть все типы приемников, поэтому остановимся на наиболее распространенных.

Простейшим амплитудным датчиком является отрезок световода, изгибаемый под действием давления, усилия, перемещения или иных деформационных величин. Изгиб волокна ведет к уменьшению угла падения направляемых лучей на границу раздела сердцевина-оболочка (рис. 1, б ), что приводит к нарушению условий полного внутреннего отражения. В результате часть направляемого излучения вытекает в оболочку, где теряется. Поэтому интенсивность света на выходе из световода уменьшается, что можно зарегистрировать обычным фотодиодом.

Если отрезок световода прикрепить к поверхности "чувствительной кожи", то он мог бы вырабатывать амплитудный сигнал о ее изгибах. Однако на практике такие устройства не используют. Стандартные световоды предназначены в первую очередь для линий связи, где амплитудная чувствительность к изгибам может стать источником дополнительных помех. Поэтому производители световодов добиваются того, чтобы интенсивность направляемого излучения заметно изменялась лишь при очень малых радиусах кривизны волокна, фактически тогда, когда начинается его механическое разрушение.

Увеличения амплитудной чувствительности световода можно достичь за счет использования дополнительных механических элементов. Например, при сжатии волокна между двумя шероховатыми поверхностями (рис. 1, в) возникает большое количество микроизгибов, которые гораздо сильнее влияют на интенсивность светового потока, чем единый макроскопический изгиб. Другой способ состоит в том, что к участку световода с предварительно снятой оболочкой прижимается прозрачный объект. Последний имеет более высокий показатель преломления, чем сердцевина волокна, что обусловливает нарушение условий полного внутреннего отражения и частичный отток направляемого излучения. Как следствие - интенсивность света на выходе световода уменьшается.

Для установки дополнительных конструкционных элементов нужен специальный механизм, размещение которого на поверхности "кожи" сопряжено с дополнительными трудностями. Движущиеся части такого механизма требуют высокой точности исполнения и тщательной юстировки. Поэтому для создания "чувствительной кожи" более перспективным считается иной метод амплитудной модуляции светового потока в световодах. Этот путь не требует использования каких-либо внешних по отношению к световоду механических элементов. Он состоит в создании на участке волокна так называемых брэгговских дифракционных решеток.

Дифракционная решетка (рис. 1, в) может быть сформирована в волокне, изготовленном из кварца с примесью германия [3]. Под воздействием ультрафиолетового излучения показатель преломления такого волокна меняется. Поэтому при освещении участка световода интерференционным полем двух когерентных ультрафиолетовых пучков показатель преломления будет изменяться вдоль оси волокна по синусоидальному закону в соответствии с распределением интенсивности интерференционного поля. Штрихи формируемой решетки не сосредоточены на поверхности световода, а проникают на всю его глубину вместе с записывающим излучением. Такую глубокую решетку и называют брэгговской. Она дает более высокую эффективность дифракции по сравнению с обычной. Углы дифракции зависят от периода решетки. При периоде, равном l /2nэф , угол составляет 180?. Иными словами, решетка работает как зеркало для направляемого по световоду излучения с подходящей длиной волны.

Представим теперь, что внешнее физическое воздействие растягивает или сжимает область световода с решеткой. Расстояние между штрихами изменяется и теперь не будет согласовано с длиной волны. Как следствие - эффективность дифракции резко уменьшится, что проявится в снижении интенсивности отраженного света. Таким образом, регистрируя отраженное назад по волокну излучение, можно принимать сигнал о деформационных воздействиях на решетку, а значит, и на "кожу", к которой она присоединена.

Часто информацию о внешних воздействиях на брэгговские решетки принимают не по изменению интенсивности, а по изменению длины отраженной волны. Для этого в световод вводят излучение с широким спектром. Назад же приходит монохроматическая волна с длиной, равной 2Dnэф , где D - период решетки. Изменяется период - изменяется длина волны, что может быть зарегистрировано спектроанализатором. Данный метод приема является спектральным. Благодаря высокой чувствительности он в настоящее время считается наиболее перспективным для измерения механических напряжений на поверхности "чувствительной кожи".

Фаза направляемой световодами волны, как следует из выражения (2), изменяется при изменении оптического пути света в волокне, а значит, и при всех воздействиях, влияющих на длину световода. Если световод жестко прикреплен к "чувствительной коже", то при изменении ее конфигурации он растянется или сожмется. При этом световод выработает фазовый сигнал об изменении своей длины без использования каких-либо дополнительных устройств. Понятно, что такой способ приема привлекателен для отслеживания формы "кожи".

Из-за высокой частоты света (~1015 Гц) ни один из современных фотоприемников не способен зарегистрировать фазовый сигнал непосредственно. В оптике фазовые сигналы регистрируют методами интерферометрии. Рассмотрим наиболее распространенные схемы волоконных интерферометров.

Интерферометр Маха-Цендера (рис. 2, а) содержит два световодных плеча. Одно из них является опорным (4), его стремятся изолировать от внешних воздействий; второе - сигнальным (5), то есть предназначенным для целей приема. Когерентное излучение обоих плечей сводится в одном приемном световоде (6), в котором формируется интерференционный сигнал. Интенсивность этого сигнала описывается выражением

где j1 и j2 - фазы световых пучков, прошедших опорное и сигнальное плечи, I1 и I2 - интенсивности этих пучков. Как видно, приращение фазы излучения в сигнальном плече преобразуется в изменения интенсивности сигнала интерференции, что может быть легко зарегистрировано обычным фотоприемником.

В настоящее время конструкция фазовых датчиков на основе схемы интерферометра Маха-Цендера наиболее отработана. Однако в случае "чувствительной кожи" такие датчики обладают серьезным недостатком: сложно поместить опорный световод где-либо на поверхности "кожи" и одновременно надежно изолировать его от внешних воздействий. Существуют другие типы волоконных интерферометров, которые собираются по одноволоконной схеме и поэтому лишены данного недостатка. Один из таких интерферометров - интерферометр Фабри-Перо показан на рис. 2, б. Он содержит световод, на торцы которого нанесены полупрозрачные зеркальные покрытия. Когда направляемая волна достигает поверхности выходного торца, она частично проходит наружу и отражается назад. Отраженная волна после двойного прохода по волокну вновь достигает выходного торца и снова делится на прошедшую и отраженную. Такой процесс деления продолжается до бесконечности. В результате на выходе из световода формируется оптический сигнал многолучевой интерференции. Этот сигнал сильнее зависит от фазы интерферирующих волн, чем сигнал двухлучевой интерференции в интерферометре Маха-Цендера. Поэтому, как правило, датчики, на основе интерферометра Фабри-Перо более чувствительны к приращению оптической длины световодов. Однако они нуждаются в высококогерентных источниках и требуют использования специальных электронных схем стабилизации.

Еще один одноволоконный интерферометр, который к настоящему времени достаточно хорошо разработан, - многомодовый показан на рис. 2, в. Он представляет световод, в котором возбуждают два или несколько типов направляемых лучей (мод), различающихся фазовыми скоростями распространения. На выходе из световода между этими лучами возникает разность фаз. Согласно выражению (2), она равна Dj = kDnэф " L, где Dnэф - разность эффективных показателей преломления мод. Как видно, разность фаз между модами изменяется при изменении длины волокна. Поэтому изменяется и картина интерференции мод (см. рис. 2, в, внизу), что и используется для регистрации.

Следует сказать, что в стандартных световодах разница между фазовыми скоростями мод мала (Dnэф ! nэф). Поэтому разность фаз между ними в многомодовом интерферометре растет медленно. Как следствие - датчики 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 низкокогерентных источников, а значит, в низкой стоимости. Последнее очень важно для организации "чувствительной кожи", требующей использования большого количества чувствительных элементов.

МУЛЬТИПЛЕКСИРОВАННЫЕ

ВОЛОКОННЫЕ ДАТЧИКИ

Создание "чувствительной кожи" требует использования специальных линий связи для передачи сигналов отдельных чувствительных элементов в центральную систему приема и обработки данных. Понятно, что при большом количестве измерительных устройств линии связи способны загромоздить поверхность "кожи". Тем самым повышается трудоемкость ее изготовления и снижается надежность эксплуатации. Данную трудность можно преодолеть, если использовать одну волоконную линию для связи с несколькими датчиками. Иными словами, требуется организовать внутри волоконной линии несколько каналов передачи. Эта задача решается методами мультиплексирования [2-4].

В случае временного мультиплексирования (рис. 3, а) в световод вводят короткий световой импульс. Каждый из датчиков отражает этот импульс назад с задержкой по времени, пропорциональной удалению датчика от входного торца волокна. По времени задержки отраженного импульса можно судить о том, какое из приемных устройств формирует отраженный сигнал. С помощью сверхбыстрой электроники задержки можно измерить с точностью до нескольких наносекунд. За такой промежуток свет проходит в волокне несколько метров. Это и есть минимально допустимое расстояние между датчиками, необходимое для того, чтобы их сигналы не накладывались. Если речь идет об организации "чувствительной кожи" больших размеров, например о чувствительной обшивке корабля или о поверхностях зданий или мостов, то указанного пространственного разрешения может быть вполне достаточно. Но в случае небольших чувствительных поверхностей, например "кожи" робота, такого разрешения не хватает.

Значительно (примерно на порядок) улучшить пространственное разрешение позволяет метод частотного мультиплексирования (рис. 3, б ). В этом случае прибегают к пилообразной модуляции частоты источника излучения. В течение всего периода модуляции приращение частоты источника будет пропорционально времени: Dw = at (a - коэффициент пропорциональности). Поэтому отраженный от каждого из датчиков оптический сигнал будет сдвинут по частоте относительно источника на величину ati , где ti - время распространения света до i-го датчика и обратно. При сложении отраженного света и излучения источника возникнут биения, причем расстояние до датчика будет характеризоваться частотой, а сигнал датчика - амплитудой биений. Данный метод требует использования сложных оптоэлектронных компонентов для обеспечения стабильности модуляции частоты излучения и спектрального анализа отраженных сигналов.

Еще один спектральный способ мультиплексирования легко осуществить для датчиков с брэгговскими решетками (рис. 3, в). В этом случае все решетки имеют различный период и поэтому каждая из них настроена на свою собственную длину волны. Перестраивая длину волны источника, можно получить отраженный сигнал отдельно для каждой из решеток. Метод характеризуется простотой электронной схемы регистрации и обработки отраженных сигналов. Однако неконтролируемые девиации частоты источника могут обусловливать перекрестные помехи и ограничение динамического диапазона измерений.

Характеризуя методы мультиплексирования в целом, следует сказать, что из-за перекрестных помех и проблемы шумов реально удается разделить сигналы ограниченного числа датчиков - нескольких десятков в лучших системах. Тем не менее уже известны примеры практического применения мультиплексированных волоконных измерительных сетей. Например, экспериментальные системы с брэгговскими решетками используют для придания несущим элементам автодорожных мостов чувствительности к механическим напряжениям.

РАСПРЕДЕЛЕННЫЕ

ВОЛОКОННЫЕ ДАТЧИКИ

Естественное развитие принципы мультиплексирования получили при создании распределенных волоконно-оптических датчиков. Датчики этого типа представляют длинный отрезок волоконного световода, укладываемый на какой-либо поверхности по контуру L, вдоль которого предполагается измерить распределение исследуемой физической величины f (L).

Работа большинства известных распределенных датчиков базируется на методе оптической временной рефлектометрии, аналогичном методу временного мультиплексирования. В этом случае в световод вводят короткий зондирующий импульс и регистрируют зависимость мощности рассеянного назад излучения от времени. Полученную временную зависимость легко преобразовать в зависимость от координаты по длине световода. Таким способом можно измерять распределение различных деформационных величин на чувствительной поверхности, поскольку деформации оказывают влияние на характер рассеяния излучения в волокне. Достоинством этого метода является то, что, будучи разработан для целей обнаружения мест повреждений волоконно-оптического кабеля, он использует выпускаемую промышленностью аппаратуру. Однако в настоящее время данный метод обеспечивает недостаточную чувствительность, динамический диапазон измерений и разрешение. Известны схемы распределенных датчиков с повышенным разрешением. Они базируются на методе частотной рефлектометрии, который аналогичен рассмотренному выше методу частотного мультиплексирования.

Следует сказать, что распределенные датчики могут иметь значительную длину и поэтому способны придавать чувствительность значительным участкам "кожи". Непрерывный по длине прием информации такими устройствами дает более качественное представление о картине внешних воздействий на "чувствительную кожу", чем результаты измерений отдельных приемных элементов. Поэтому распределенные датчики лучше отвечают представлению о "нервных волокнах", чем приемники дискретного типа. В настоящее время распределенные датчики являются предметом интенсивных исследований, что позволяет надеяться на скорое улучшение их качества.

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СЕТИ

НА ОСНОВЕ ИНТЕГРИРУЮЩИХ ВОЛОКОННЫХ ДАТЧИКОВ

Можно ли восстановить картину внешних воздействий на "чувствительную кожу" посредством длинных волоконных датчиков, но без использования сложных и зачастую несовершенных технологий разделения сигналов, поступающих от их элементарных участков? Иными словами, можно ли заменить распределенный датчик некоторой протяженной измерительной линией, принимающей суммарный по длине сигнал? Такой вопрос особенно интересен потому, что самый обычный волоконный световод является по сути длинным датчиком, способным формировать фазовый сигнал о суммарном по длине воздействии. Формально этот сигнал можно представить в виде

где f (x, y) - функция распределения измеряемого параметра по поверхности "кожи", L - контур укладки измерительной линии на ее поверхности.

Видно, что интегральный сигнал (3) дает лишь косвенную информацию о f (x, y)-распределении исследуемого параметра. Тем не менее в настоящее время разработаны методы восстановления пространственных распределений величин по их интегральным характеристикам, получившие название томографических. Многим людям термин "томография" известен из медицины. Поясним его на примере из этой области. Известно, что на рентгеновских снимках хорошо заметны лишь хорошо поглощающие проникающее излучение объекты, например кости. Изображения же мягких тканей накладываются друг на друга и потому плохо разделяются. Это происходит потому, что каждый из рентгеновских лучей интегрирует поглощение всех слоев ткани, не вычленяя влияние каждого слоя в отдельности. При этом сигнал об ослаблении луча будет описываться выражением (3), в котором следует положить, что L - траектория распространения луча, а f (x, y) - распределение коэффициента поглощения излучения в сечении тестируемого объекта. По единственному снимку восстановить послойное изображение невозможно. Для решения этой задачи необходимо сканировать объект, то есть нужно получить набор его рентгеновских снимков под различными углами падения лучей. Достаточно полный набор снимков, как это впервые показал И. Радон, позволяет восстановить послойное изображение объекта.

Выводы теории томографии могут быть использованы и в случае использования волоконных линий. В частности, понятно, что сигнала единственной измерительной линии для восстановления распределения внешних воздействий на "чувствительную кожу" будет недостаточно. Линии должны быть уложены под разными углами так, чтобы сканировать эту поверхность. В результате формируется волоконная измерительная сеть, например такая, как показано на рис. 4.

Для создания такой сети можно использовать измерительные линии с фазовой чувствительностью. Приращение фазы в волоконном световоде - величина аддитивная, то есть результирующее суммарное приращение является результатом интегрирования изменений фазы во всех локальных участках световода. Иными словами, выходной сигнал интерферометрической измерительной линии можно представить в виде преобразования Радона (3), как это и требуется для целей томографии.

Принцип восстановления распределения физического поля с помощью измерительной сети иллюстрируется на рис. 4. Пусть исследуемое поле имеет какую-либо неоднородность (на рисунке она показана более темным цветом). Все измерительные линии, пересекающие эту неоднородность, покажут возрастание выходного сигнала. На этапе восстановления в точке пересечения таких линий будем предполагать наличие всплеска. Таким образом, переходя от точки к точке, можно восстановить все исходное поле.

Достаточно очевидно, что для решения задачи восстановления требуется обеспечить определенную плотность укладки нервных измерительных волокон на поверхности "кожи". Можно показать, что плотность укладки, равная (где К - число измерительных волокон, S - площадь исследуемой области), должна превосходить пространственную частоту исследуемого поля, то есть количество неоднородностей поля на единицу длины [6].

Отметим также, что описываемый подход может искажать исходное распределение поля и давать ложные детали, так называемые артефакты. Но применением специальной компьютерной обработки эти недостатки удается преодолеть. При этом картина внешних воздействий на "чувствительную кожу" может быть полностью восстановлена, что иллюстрируется примером, представленным на рис. 5. На рисунке показаны результаты восстановления распределения интенсивности колебаний по поверхности судового топливного танка (рис. 5, а) сетью одноволоконных двухмодовых интерферометров [5]. На рис. 5, б, в, г представлены вверху расчетные, внизу восстановленные сетью распределения для случаев соответственно пустого, заполненного на четверть и наполовину танка. На рис. 5, д-ж полученные сетью результаты сравнивают с данными стандартного набора пьезоэлектрических датчиков. Точками отмечены значения сигналов датчиков, а сплошной линией - центральные продольные сечения восстановленных распределений. Как видно, волоконная сеть позволяет получить гораздо более детальную информацию о характере исследуемого поля, чем набор отдельных датчиков. Иными словами, именно волоконная сеть сделала поверхность танка по-настоящему чувствующей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Волоконная оптика уже обеспечила громадный прогресс в технике высокоскоростной передачи информации. Следующий прорыв наметился в настоящее время в области волоконно-оптических информационно-измерительных систем. Такие системы нужны не только для создания покровных поверхностей, обладающих собственной чувствительностью, но и способны найти применение в сетях экологического мониторинга, для наблюдения и управления сложными технологическими процессами и в других приложениях.

ЛИТЕРАТУРА

1. Бусурин Б.И., Носов Ю.Р. Волоконно-оптические датчики. М.: Энергоатомиздат, 1990.

2. Мировицкий Д.И. Мультиплексированные системы волоконно-оптических датчиков // Измер. техника. 1992. ╧ 1. С. 40-42.

3. Senior J.M., Moss S.E., Cusworth S.D. Multiplexing Techniques for Noninterferometric Optical Point-Sensor Networks // Fiber and Integr. Opt. 1998. Vol. 17, ╧ 1. P. 3-20.

4. Udd E. Applications of Fiber Optic Smart Structures // Opt. and Photon. News. 1996. Vol. 7, ╧ 5. Р. 17-22.

5. Кульчин Ю.Н., Витрик О.Б., Горбачев К.П. и др. Волоконно-оптическая измерительная сеть для регистрации параметров колебательных процессов // Измер. техника. 1995. ╧ 3. С. 32-33.

6. Кульчин Ю.Н., Витрик О.Б., Кириченко О.В. Восстановление физических полей с использованием двухмерной волоконно-оптической измерительной сети // Там же. 1999. ╧ 3. С. 24-30.

Рецензент статьи А.С. Сигов

* * *

Олег Борисович Витрик, доктор физико-математических наук, доцент кафедры физики Дальневосточного государственного технического университета. Область научных интересов - волоконная оптика, лазерная физика, оптическая обработка информации, томография. Автор более 50 научных работ.