Структуры волоконно-оптических датчиков физических и химических величин
Касимов Абдуразак
Аннотация
В данной статье рассмотрены классификация датчиков, их принципиальные схемы. Приведены структуры, алгоритмы работы датчиков. Даны обобщенные схемы включения, которое будет использовано при сборке макета беспроводной распределенной системы мониторинга.
Ключевые слова: волоконно-оптические датчики, волоконно-оптические системы, амплитудный датчик, фазовый датчик, структура оптического канала.
This article describes the classification of sensors, their concepts. -Offer the structures, algorithms sensors. Given the generalized scheme of inclusion that will be used when building the layout of distributed wireless monitoring system.
Keywords: volokonno optic sensors, fiber optic systems, the amplitude sensor, phase sensor, optical channel structure.
Развитие автоматизированных систем управления в промышленности улучшает контролировать состояния объектов индустриальной информационной системы в металлургии, энергетики, электроники и т.д. с помощью волоконно-оптических информационно-измерительных систем, такие как волоконно-оптические датчики.
По трудам исследователей, например, исследовательской технологической организации НАТО (RTO NATO) особое внимание уделено разработке и прогнозу использования волоконно-оптических датчиков [1*]. На рынке новых технологии в числе основными поставщиками сетевого и сенсорного оборудования являются компании Elcis, Leine&Linde, M.C.B., Tamagawa Seiki, Sony, Siemens, TM, Megetron, Motorolla, IEI Technology, Fraba Posital, Kuebler, Omron, Pepperl+Fuchs, Heidenhain и др. [2*, 9 стр.].
Очень перспективными для использования в системе мониторинга являются волоконно-оптические датчики (ВОД), также их называют еще оптоволоконными датчиками (ОВД). Приведем для них функциональные и структурные схемы - рисунки 1, 2 [3-6].
Рисунок 1 - Типовая структура оптического канала передачи измерительной информации
Химический сенсор состоит из слоя чувствительного материала, который формирует селективный отклик на определяемый компонент. Физический преобразователь - преобразует энергию, которая возникает в ходе реакции селективного слоя с измеряемым воздействием (компонентом), в модулированный по определенным параметрам оптический сигнал. [2*, 11 с.] датчик беспроводной оптический измерительный
Основные классы ОВД подразделяются по способу модуляции оптического луча от измеряемого параметра: амплитудная и фазовая, которые отражены (рисунки 3, 4).
Рисунок 2 - Классификация амплитудных ВОД
Рисунок 3 - Классификация фазовых (интерферометрических) ВОД
Исходя из приведенных структурных и информационных схем ВОД, можно составить обобщенную структурную модель такого датчика, которую удобно использовать на практике (рис. 5, где ЧЭ - чувствительный элемент).
Как известно, ВОД отличается высокой помехозащищенностью и абсолютной пожаро- и взрывобезопасностью, кроме того они отличаются высочайшим быстродействием, которое теоретически близко к скорости света. Благодаря малым потерям в оптоволокне и нечувствительности к наводкам, ИИС с использованием оптоволоконных технологий и комплектующих могут покрывать значительные площади, тем самым, увеличивая возможности экологического мониторинга. Для иллюстрации возможностей ВОД, на рисунке 6 и 7 приведены классификационная схема волоконно-оптических систем (ВОС) и конкретная ВОС измерения скорости жидкости.
Рисунок 4 - Классификация ВОС сбора и распределения измерительной информации
Рисунок 5 - Измерение скорости потока жидкости с помощью ВОД частотного (доплеровского) типа: 1-лазер, 2-делитель, 3 - ячейка Брэгга , 4 - объектив, 5 - ВОД, 6 -капилляр, 7 - фотоприемник, 8 - анализатор, 9 - анализатор спектра, 10 - дисплей.
Датчики на основе оптического волокна могут применяться почти во всех областях науки, промышленной автоматизации, так как преимущество использования ВОД в этой области обеспечивается их стабильными характеристиками, помехозащищенностью и безынерционностью.
Cписок использованных источников
1. Lance R.W., Parker A. R., Ko W.L., Piazza A., Chan P. Application of Fiber Optic Instrumentation [Электронный ресурс]. - http:// www.rto.nato.int
2. Леонович Г. И. , Матюнин С. А., Акбаров Р. Р., Ивков С. В., Ливочкина Н. А., Глушков А.И. Cетевые цифровые волоконно-оптические датчики перемещения с закрытым оптическим каналом // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета № 7(38) 2012г. C.9-14.
3. Михайлов П.Г. Микроэлектронный датчик давления и температуры // Приборы и Системы. Управление, Контроль, Диагностика. № 11 2003 С. 29-31.
4. Михайлов П.Г., Лапшин В.И., Сергеев Д.А. Моделирование и конструирование кремниевых чувствительных элементов емкостных датчиков давлений // Известия Южного федерального университета. Технические науки. 2013 г № 5. С. 128 - 133.
5. Михайлов П.Г. Михайлов П.Г. Микроэлектронные датчики. Разработка и проектирование // Датчики и Системы. 2007-№ 8- С. 23-26.
6. Yu Y., Huang Q., Wang Z. et al. Occurrence and behavior of pharmaceuticals, and endocrine-disrupting personal care products in wastewater and recipient river water of the Pearl river delta, South China // Journal of Environmental Monitoring. 2011. 13. Р. 871-878.