Лазерные оптико электронные приборы реферат

Обновлено: 07.07.2024

Содержание

Введение
1. Базовые оптические элементы
2. Световые фильтры
3. Виды фильтров
4. Оптическая система — микроскоп
5. Оптическая система телескоп
6. Разрешение телескопов
7. Искусственный глаз телескопа
Заключение
Список использованных источников

Введение

Оптические приборы — это устройства, в которых излучение какой-либо области спектра (ультрафиолетовой, видимой, инфракрасной) преобразуется (пропускается, отражается, преломляется, поляризуется). Отдавая дань исторической традиции, оптическими обычно называют приборы, работающие в видимом свете. При первичной оценке качества прибора рассматриваются лишь основные его характеристики: способность концентрировать излучение – светосила; способность различать соседние детали изображения – разрешающая сила; соотношение размеров предмета и его изображения – увеличение. Для многих приборов определяющей характеристикой оказывается поле зрения – угол, под которым из центра прибора видны крайние точки предмета.

При желании создать качественный оптический прибор следует оптимизировать набор его основных характеристик – светосилы, разрешающей способности и увеличения. Нельзя сделать хороший, например, телескоп, добиваясь лишь большого видимого увеличения и оставляя малой светосилу (апертуру). У него будет плохое разрешение, так как оно прямо зависит от апертуры. Конструкции оптических приборов весьма разнообразны, и их особенности диктуются назначением конкретных устройств. Но при воплощении любой спроектированной оптической системы в готовый оптико-механический прибор необходимо расположить все оптические элементы в строгом соответствии с принятой схемой, надежно закрепить их, обеспечить точную регулировку положения подвижных деталей, разместить диафрагмы для устранения нежелательного фона рассеянного излучения. Нередко требуется выдерживать заданные значения температуры и влажности внутри прибора, сводить к минимуму вибрации, нормировать распределение веса, обеспечить отвод тепла от ламп и другого вспомогательного электрооборудования. Значение придается внешнему виду прибора и удобству обращения с ним.

1. Базовые оптические элементы

Линзы.
Призмы.
Зеркала.
Световые фильтры.

Теперь рассмотрим каждый оптический элемент или как их еще называют, оптические детали, подробней.

Линзы

Нужна помощь в написании реферата?

Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.

Собирающие:
1 — двояковыпуклая
2 — плоско-выпуклая
3 — вогнуто-выпуклая (положительный(выпуклый) мениск)
Рассеивающие:
4 — двояковогнутая
5 — плоско-вогнутая
6 — выпукло-вогнутая (отрицательный(вогнутый) мениск)

. К группе собирательных линз обычно относят линзы, у которых середина толще их краёв, а к группе рассеивающих — линзы, края которых толще середины. Следует отметить, что это верно только если показатель преломления у материала линзы больше, чем у окружающей среды. Если показатель преломления линзы меньше, ситуация будет обратной. Например, пузырёк воздуха в воде — двояковыпуклая рассеивающая линза. Линзы характеризуются, как правило, своей оптической силой (измеряется в диоптриях), или фокусным расстоянием. Для построения оптических приборов с исправленной оптической аберрацией (прежде всего — хроматической, обусловленной дисперсией света, — ахроматы и апохроматы) важны и иные свойства линз и их материалов, например, коэффициент преломления, коэффициент дисперсии, коэффициент пропускания материала в выбранном оптическом диапазоне. Иногда линзы/линзовые оптические системы (рефракторы) специально рассчитываются на использование в средах с относительно высоким коэффициентом преломления.

Призмы

Призма — оптический элемент из прозрачного материала (например, оптического стекла) в форме геометрического тела — призмы, имеющий плоские полированные грани, через которые входит и выходит свет. Свет в призме преломляется. На сегодняшний день известно большое количество различных призм.

Дисперсионные призмы, как правило, имеют три равных угла по 60°, их используют в спектральных приборах для пространственного разделения излучений различных длин волн. Вот некоторые из них:

Простая трехгранная призма
Призма Броунинга-Рузерфорда
Дисперсионная призма Аббе
Призма Амичи (призма прямого зрения)
Призма Литтрова
Призма Корню
Призма Пеллин-Брока

2. Отражательные призмы используют для изменения хода лучей, изменения направления оптической оси, изменения направления линии визирования, для уменьшения габаритных размеров приборов. Классифицируются отражательные призмы по нескольким признакам:

Также, особую нишу среди отражательных призм занимают составные призмы, — состоящие из нескольких частей, разделённых воздушными промежутками. Некоторые широко распространённые призмы получили собственные имена.

3. Поляризационные призмы, с их помощью получают линейно поляризованноеоптическое излучение. Обычно состоят из 2 или более трёхгранных призм, по меньшей мере одна из которых вырезается из оптически анизотропного кристалла. Призма Глана-Тейлора — одна из наиболее часто используемых в настоящее время призм, предназначена для преобразования излучения с произвольной поляризацией в линейно поляризованное. Конструкция была предложена Аркардом и Тейлором в 1948 году. Основные из поляризационных призм:

Призма Аренса
Призма Волластона
Призма Глазебрука
Призма Глана-Тейлора
Призма Глана-Томпсона
Призма Глана-Фуко
Призма Николя
Призма Номарски
Призма Рошона
Призма Сенармонта

Зеркала

Зеркало — гладкая поверхность, предназначенная для отражения света (или другого излучения). Наиболее известный пример — плоское зеркало. Зеркала широко используются в оптических приборах — спектрофотометрах, спектрометрах в других оптических приборах. Различают несколько видов зеркал:

2. Световые фильтры

Светофильтр в оптике, технике — оптическое устройство, которое служит для подавления (выделения) части спектра электромагнитного излучения. В мире существует огромное количество всевозможных световых фильтров и каждый предназначен для своих целей, например: защитный фильтр, предназначен для предохранения передней поверхности объектива от механических воздействий. Часто в этой роли используется ультрафиолетовый фильтр.

Нужна помощь в написании реферата?

3. Виды фильтров:

Нейтральный фильтр, служит для снижения эффективной светосилы объектива без изменения геометрической, а также для снижения эффективной светосилы объектива, не имеющего диафрагмы.

Солнечный фильтр — чрезвычайно плотный нейтральный фильтр, позволяющий без вреда для фотографа и фотоматериала снимать солнце, ядерный взрыв и другие явления, значительно превышающие по яркости обычные предметы.

Спектральные (цветные)

Светофильтры методов цветовоспроизведения

Аддитивные светофильтры — цветоделительные зональные светофильтры, выделяющие из исходного светового потока белого света трёх пространственно разделённых (с помощью других оптических элементов) потоков: синего, зелёного и красного.
Тепловой фильтр, теплофильтр — избирательно поглощает или отражает инфракрасное излучение и пропускает с малыми потерями диапазон видимого света. Применяются в осветительной аппаратуре, в проекторах для защиты плёнки, а также в микрофотографии для защиты биологических объектов от нагревания.
Абсорбционные, обладают спектральной избирательностью, обусловленной различным поглощением различных участков спектра электромагнитного излучения. Наиболее массовые фильтры. Производятся на основе окрашенных оптических стёкол или органических веществ (например, из желатины).
Интерференционный фильтр, отражает одну и пропускает другую часть спектра падающего излучения, благодаря явлению многолучевой интерференции в тонких диэлектрических плёнках. Также называется Дихроичный фильтр.
Отражательный фильтр. Действие отражательных фильтров основано на спектральной зависимости отражения непрозрачного материала. Преимуществом отражательного фильтра перед абсорбционными является единственность участвующей в оптической системе поверхности и отсутствии хроматических аберраций, вносимых преломляющими прозрачными средами.
Поляризационный фильтр. Простейший съёмочный поляризационный фильтр линейной поляризации, содержит один поляризатор, поворачивающийся в оправе. Его применение основывается на том, что часть света в окружающем нас мире поляризована. Частично поляризованы все лучи, неотвесно падающие отражённые от диэлектрических поверхностей. Частично поляризован свет, поступающий от неба. Поэтому, применяя поляризатор при съёмке, фотограф получает дополнительную возможность изменения яркости и контраста различных частей изображения. Например, результатом съёмки пейзажа в солнечный день с применением такого фильтра может получиться тёмное, густо-синее небо. При съёмке находящихся за стеклом объектов поляризатор позволяет избавиться от части отражений в стекле.
Дисперсные фильтры основаны на зависимости показателя преломления от длины волны. В сочетании с отражающими и/или интерференционными фильтрами, а также растром часто служат для создания расщепляющих оптических систем — дихроических призм. Находят применение в современных мультимедийных проекторах, где являются основным инструментом разделения светового потока мощной лампы накаливания на три спектральных диапазона. Применяются в качестве эффектных фильтров для получения радужных изображений.

4. Оптическая система — микроскоп

Изучение микроскопических объектов в медицине, биологии, химии, электронике нельзя представить без такого важного предмета, как микроскоп. Этот оптический прибор дает человеку возможность исследовать процессы и явления микромира. Современный лабораторный микроскоп – это высокотехнологичное, функциональное оборудование, предназначенное для комфортной ежедневной работы специалистов.

Микроскопы могут быть оптическими, электронными, цифровыми. В лабораториях находят широкое применение все модели. А какой именно прибор нужен в работе зависит от специфики исследований. Классическая модель – оптический микроскоп. Его конструкция состоит из окуляра и объектива, которые закреплены в подвижном тубусе. Под объективом размещается предметный столик для исследуемых образцов. Оптическая система с точным механизмом настройки и осветительный модуль позволяют получить четкое изображение высокого качества. Галогеновые, ксеноновые или светодиодные лампы дают бестеневое рабочее поле, не искажая цвета. В лабораторной работе широко распространены бинокулярные микроскопы. Они передают объемное увеличенное изображение. Стереомикроскопы применяются для препарирования микроскопических объектов. Благодаря тому, что изображение не инвертируется, можно легко манипулировать инструментами. Чтобы получить многократное увеличение применяется электронный микроскоп. Он дает изображение в тысячи раз крупнее, чем обычный оптический. Это возможно благодаря специальной технологии электростатических линз.

Для обработки данных на компьютере используется цифровой микроскоп. Оптическая система цифровых микроскопов совмещена с матрицей, трансформирующей световой поток в электрические сигналы. Это дает возможность передавать данные на компьютер для дальнейшей работы. Его конструкция позволяет присоединять камеру, изображение с которой можно анализировать на экране. Цифровой прибор обладает значительно расширенными возможностями по сравнению с другими моделями.

На сегодняшний день одним из самых мощных микроскопов является “Titan”. Созданный в рамках американско-европейского проекта TEAM , получил свои первые изображения с рекордным разрешением 0,04 нанометра. Это равно четверти поперечника атома углерода. Чтобы понять, какие новый инструмент открывает возможности по изучению материалов или биологических молекул, нужно добавить, что диаметр спирали ДНК составляет целых 2 нанометра. TEAM означает Transmission Electron Aberration-corrected Microscope, то есть трансмиссионный электронный микроскоп с коррекцией аберрации (аберрация — отклонение от нормы). Он появился в результате смешения двух технологий: электронного микроскопа сканирующего и трансмиссионного типов (так называемая технология S/TEM). Для повышения разрешения здесь был применён ряд новаций, в частности, сразу две оригинальные системы коррекции сферической аберрации. Конечно, по техническим характеристикам на сегодняшний день лучше этого микроскопа нет. Но один из американских физиков Дэрок Истэм, считает, что возможно достигнуть в 4 раза лучший результат — 0,01 нм. Планируемый электронный микроскоп настолько мал, что соответствует в размерах кончику пальца, и в четыре раза мощнее. В его проекте используется луч меньшей энергии, эмиттер электронов расположен всего в нескольких миллиметрах от изучаемого объекта. Вместо выделения электронов с вольфрамовой нити производится бомбардировка с одного атома крошечной золотой пирамиды высотой около 100 нм. Луч будет сосредоточен, поскольку он проходит через отверстие величиной 2 мкм, расположенное в кремниевом чипе, прежде чем достигнет цели. Луч электронов в новом микроскопе Истэма имеет длину всего 10 мкм. Длина в стандартном аппарате соответствует 600 мм. Луч, создаваемый прибором Истэма, имеет в 100 раз меньшую энергию, чем обычный сканирующий электронный микроскоп. Именно сокращение расхода энергии, по мнению Истэма, является главным направлением развития сканирующих электронных микроскопов. Меньшая мощность луча также позволяет изучать тонкие структуры, разрушаемые электронными микроскопами, например, необработанные белки и ДНК. Но многие эксперты консервативны в своих ожиданиях результатов работы нового микроскопа. Признавая верность сокращения длины луча, достижение разрешения в 0,01 нм расценивается как маловероятное. При этом существует эффект колебания энергии луча, что также ограничивает разрешающую способность, и, как ожидается, этот эффект имеет место и в разработке Истэма. При всей полезности сокращения энергопотребления, по мнению специалистов, этот микроскоп имеет недостаточную глубину проникновения для создания трехмерных изображений из-за конструкции отверстия.

Ко всему выше сказанному можно добавить только одно, что и по сей день основной задачей оптических приборов, используемых в лаборатории, является — оперативность в получении точных данных, необходимых для ежедневной работы. Микроскоп, помимо своего прямого назначения, должен отвечать таким требованиям, как надежность, функциональность и простота использования. Оснащение лабораторий качественными микроскопами обеспечивает эффективность ежедневного труда.

5. Оптическая система телескоп

Основное назначение телескопов — собрать как можно больше излучения от небесного тела. Это позволяет видеть неяркие объекты. Во вторую очередь телескопы служат для рассматривания объектов под большим углом или, как говорят, для увеличения. Разрешение мелких деталей – третье предназначение телескопов. Количество собираемого ими света и доступное разрешение деталей сильно зависит от площади главной детали телескопа — его объектива. Объективы бывают зеркальными и линзовыми.

Линзы, так или иначе, всегда используются в телескопе. Но в телескопах-рефракторах линзой является главная деталь телескопа – его объектив. Вспомним, что рефракция – это преломление. Линзовый объектив преломляет лучи света, и собирает их в точке, именуемой фокусом объектива. В этой точке строится изображение объекта изучения. Чтобы его рассмотреть используют вторую линзу – окуляр. Она размещается так, чтобы фокусы окуляра и объектива совпадали. Так как зрение у людей разное, то окуляр делают подвижным, чтобы было возможно добиться четкого изображения. Мы это называем настройкой резкости. Все телескопы обладают неприятными особенностями — аберрациями. Аберрации – это искажения, которые получаются при прохождении света через оптическую систему телескопа. Главные аберрации связаны с не идеальностью объектива. Чтобы уменьшить аберрации изготавливают сложные, вовсе не двухлинзовые системы. Дополнительные части вводятся для исправления аберраций объектива. На сегодняшний день первенство среди линзовых телескопов держит телескоп, Йеркской обсерватории с объективом 102 см в диаметре.

Что касается зеркальных объективов, то у простых зеркальных телескопов, телескопов-рефлекторов, объектив — это сферическое зеркало, которое собирает световые лучи и отражает их с помощью дополнительного зеркала в сторону окуляра — линзы, в фокусе которой строится изображение. Рефлекс – это отражение

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 бурным развитием автоматизированных систем контроля и управления, внедрением новых технологических процессов, переходом к гибким автоматизированным 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.

Первые попытки создания датчиков на основе оптических волокон можно отнести к середине 1970-х годов. 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.

От электрических измерений к электронным

Конец X IX века можно считать периодом становления метрологии в ее общем виде. К тому времени произошла определенная систематизация в области электротехники на основе теории электромагнетизма и цепей переменного тока. До этого физические величины измерялись главным образом механическими средствами, а сами механические измерения распространены были незначительно. Электрические же измерения ограничивались едва ли не исключительно только электростатическими. Можно сказать, что метрология, развиваясь по мере прогресса электротехники, с конца XIX века стала как бы ее родной сестрой.

Рассмотрим этапы и успехи этого развития. В течение нескольких десятков лет, вплоть до второй мировой войны, получили распространение электроизмерительные приборы, принцип работы которых основан на силах взаимодействия электрического тока и магнитного поля (закон Био — Совара). Тогда же эти приборы внедрялись в быстро развивающуюся промышленность. Особенность периода в том, что наука и техника, причастные к электроизмерительным приборам, становятся ядром метрологии и измерительной индустрии.

После второй мировой войны значительные успехи в развитии электроники привели к громадным переменам в метрологии. В пятидесятых годах появились осциллографы, содержащие от нескольких десятков до сотни и более электронных ламп и обладающие весьма высокими функциональными возможностями, а также целый ряд подобных устройств, которые стали широко применяться в сфере производства и научных исследований. Так наступила эра электронных измерений. Сегодня, по прошествии 30 лет, значительно изменилась элементная база измерительных приборов. От электронных ламп перешли к транзисторам, интегральным схемам (ИС), большим ИС (БИС). Таким образом, и сегодня электроника является основой измерительной техники.

От аналоговых измерений к цифровым

Однако между электронными измерениями, которые производились в 1950-e годы, и электронными измерениями 1980-х годов большая разница. Суть ее заключается в том, что во многие измерительные приборы введена цифровая техника.

Обычно электронный измерительный прибор имеет структуру, подобную изображенной на рис. 1. Здесь датчик в случае измерения электрической величины (электрический ток или напряжение) особой роли не играет, и довольно часто выходным устройством такого измерителя является индикатор. Однако при использовании подобного прибора в какой-либо измерительной системе сплошь и рядом приходится сталкиваться с необходимостью обработки сигнала различными электронными схемами. Внедрение цифровой измерительной техники подразумевает в идеале, что цифровой сигнал поступает непосредственно от чувствительного элемента датчика. Но пока это скорее редкость, чем правило. Чаще же всего этот сигнал имеет аналоговую форму, и для него на входе блока обработки данных установлен аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Цифровая же техника используется главным образом в блоке обработки данных и в выходном устройстве (индикаторе) или в одном из них.

Рис. 1. Типовая структура электронного измерителя

Основное преимущество использования цифровой техники в процессе обработки данных — это сравнительно простая реализация операций высокого уровня, которые трудно осуществимы с помощью аналоговых устройств. К таким операциям относятся подавление шумов, усреднение, нелинейная обработка, интегральные преобразования и др. При этом функциональная нагрузка на чувствительный элемент датчика уменьшается и снижаются требования к характеристикам элемента. Кроме того, благодаря цифровой обработке становится возможным измерение весьма малых величин.

Цифризация и волоконно-оптические датчики

Важно отметить, что одним из этапов развития волоконно-оптических датчиков было функциональное расширение операций, выполняемых в блоке обработки данных датчика, путем их цифризации и, что особенно существенно, упрощение операций нелинейного типа. Ведь в волоконно-оптических датчиках линейность выходного сигнала относительно измеряемой физической величины довольно часто неудовлетворительна. Благодаря же цифризации обработки эта проблема теперь частично или полностью решается.

Нечего и говорить, что важный стимул появления волоконно-оптических датчиков — создание самих оптических волокон, о которых будет рассказано ниже, а также взрывообразное развитие оптической электроники и волоконно-оптической техники связи.

Становление оптоэлектроники и появление оптических волокон

Лазеры и становление оптоэлектроники

Рис. 2. Снижение минимальных потерь передачи для различных типов оптических волоконОптоэлектроника — это новая область науки и техники, которая появилась на стыке оптики и электроники. Следует заметить, что в развитии радиотехники с самого начала ХХ века постоянно прослеживалась тенденция освоения электромагнитных волн все более высокой частоты. Вытекающее из этого факта предположение, что однажды радиотехника и электроника достигнут оптического диапазона волн, становится все более и более достоверным, начиная с 1950-х годов. Годом возникновения оптоэлектроники можно считать 1955-й, когда Е. Лоебнер (Loеbner Е. Е. Optoelectronic devices and networks//Proc. 1ЕЕЕ. 1955. V. 43. N 12. Р. 1897 — 1906) описал потенциальные параметры различных оптоэлектронных устройств связи, нынче называемых оптронами, т. е. когда были обсуждены основные характеристики соединения оптического и электронного устройств.

С тех пор оптоэлектроника непрерывно развивается, и полагают, что до конца ХХ века она превратится в огромную отрасль науки и техники, соизмеримую с электроникой. Появление в начале 1960-х годов лазеров способствовало ускорению развития оптоэлектроники. Потенциальные характеристики лазеров описаны еще в 1958 г., а уже в 1960 г. был создан самый первый лазер — газовый, на основе смеси гелия и неона. Генерирующие непрерывное излучение при комнатной температуре полупроводниковые лазеры, которые в настоящее время получили наиболее широкое применение, стали выпускаться с 1970 г.

Появление оптических волокон

Важным моментом в развитии оптоэлектроники является создание оптических волокон. Особенно интенсивными исследования стали в конце 1960-x годов, а разработка в 1970 г. американской фирмой "Корнинг" кварцевого волокна с малым затуханием (20 дБ/км) явилась эпохальным событием и послужила стимулом для увеличения темпов исследований и разработок на все 1970-е годы.

На рис. 2 показано снижение минимальных потерь передачи для различных оптических волокон на протяжении минувших десяти с лишним лет. Можно заметить, что для кварцевых оптических волокон потери за 10 лет (в 1970-е годы) уменьшились примерно на два порядка.

Изначальной и главной целью разработки оптических волокон было обеспечение ими оптических систем связи. Тем не менее в 1970-е годы, когда в технике оптических волокон применительно к оптическим системам связи были достигнуты уже значительные успехи, влияние волокон на развитие волоконно-оптических датчиков, о которых пойдет речь в этой книге, оказалось несколько неожиданным.

Одно- и многомодовые оптические волокна.

Рис. 3. Одномодовое (а) и многомодовое (б) оптическое волокноОптическое волокно обычно бывает одного из двух типов: одномодовое, в котором распространяется только одна мода (тип распределения передаваемого электромагнитного поля), и многомодовое — с передачей множества (около сотни) мод. Конструктивно эти типы волокон различаются только диаметром сердечника — световедущей части, внутри которой коэффициент преломления чуть выше, чем в периферийной части — оболочке (рис. 3).

В технике используются как многомодовые, так и одномодовые оптические волокна. Многомодовые волокна имеют большой (примерно 50 мкм) диаметр сердечника, что облегчает их соединение друг с другом. Но поскольку групповая скорость света для каждой моды различна, то при передаче узкого светового импульса происходит его расширение (увеличение дисперсии). По сравнению с многомодовыми у одномодовых волокон преимущества и недостатки меняются местами: дисперсия уменьшается, но малый (5. 10 мкм) диаметр сердечника значительно затрудняет соединение волокон этого типа и введение в них светового луча лазера.

Вследствие этого одномодовые оптические волокна нашли преимущественное применение в линиях связи, требующих высокой скорости передачи информации (линии верхнего ранга в иерархической структуре линий связи), а многомодовые чаще всего используются в линиях связи со сравнительно невысокой скоростью передачи информации. Имеются так называемые когерентные волоконно-оптические линии связи, где пригодны только одномодовые волокна. В многомодовом оптическом волокне когерентность принимаемых световых волн падает, поэтому его использование в когерентных линиях связи непрактично, что и предопределило применение в подобных линиях только одномодовых оптических волокон.

Напротив, хотя при использовании оптических волокон для датчиков вышеуказанные факторы тоже имеют место, но во многих случаях их роль уже иная. В частности, при использовании оптических волокон для когерентных измерений, когда из этих волокон формируется интерферометр, важным преимуществом одномодовых волокон является возможность передачи информации о фазе оптической волны, что неосуществимо с помощью многомодовых волокон. Следовательно, в данном случае необходимо только одномодовое оптическое волокно, как и в когерентных линиях связи. Тем не менее, на практике применение одномодового оптического волокна при измерении нетипично из-за небольшой его дисперсии. Короче говоря, в сенсорной оптоэлектронике, за исключением датчиков-интерферометров, используются многомодовые оптические волокна. Это обстоятельство объясняется еще и тем, что в датчиках длина используемых оптических волокон значительно меньше, чем в системах оптической связи.

Характеристики оптического волокна как структурного элемента датчика и систем связи

Прежде чем оценивать значимость этих характеристик для обеих областей применения, отметим общие достоинства оптических волокон:

широкополосность (предполагается до нескольких десятков терагерц);

малые потери (минимальные 0,154 дБ/км);

малый (около 125 мкм) диаметр;

малая (приблизительно 30 г/км) масса;

эластичность (минимальный радиус изгиба 2 MM);

механическая прочность (выдерживает нагрузку на разрыв примерно 7 кг);

отсутствие взаимной интерференции (перекрестных помех типа известных в телефонии "переходных разговоров");

безындукционность (практически отсутствует влияние электромагнитной индукции, а следовательно, и отрицательные явления, связанные с грозовыми разрядами, близостью к линии электропередачи, импульсами тока в силовой сети);

взрывобезопасность (гарантируется абсолютной неспособностью волокна быть причиной искры);

высокая электроизоляционная прочность (например, волокно длиной 20 см выдерживает напряжение до 10000 B);

высокая коррозионная стойкость, особенно к химическим растворителям, маслам, воде.

В области оптической связи наиболее важны такие достоинства волокна, как широкополосность и малые потери, причем в строительстве внутригородских сетей связи наряду с этими свойствами особое значение приобретают малый диаметр и отсутствие взаимной интерференции, а в электрически неблагоприятной окружающей среде — безындукционность. Последние же три свойства в большинстве случаев здесь не играют какой-либо заметной роли.

В практике использования волоконно-оптических датчиков имеют наибольшее значение последние четыре свойства. Достаточно полезны и такие свойства, как эластичность, малые диаметр и масса. Широкополосность же и малые потери значительно повышают возможности оптических волокон, но далеко не всегда эти преимущества осознаются разработчиками датчиков. Однако, с современной точки зрения, по мере расширения функциональных возможностей волоконно-оптических датчиков в ближайшем будущем эта ситуация понемногу исправится.

Как будет показано ниже, в волоконно-оптических датчиках оптическое волокно может быть применено просто в качестве линии передачи, а может играть роль самого чувствительного элемента датчика. В последнем случае используются чувствительность волокна к электрическому полю (эффект Керра), магнитному полю (эффект Фарадея), к вибрации, температуре, давлению, деформациям (например, к изгибу). Многие из этих эффектов в оптических системах связи оцениваются как недостатки, в датчиках же их появление считается скорее преимуществом, которое следует развивать.

Следует также отметить, что оптические волокна существенно улучшают характеристики устройств, основанных на эффекте Саньяка.

Классификация волоконно-оптических датчиков и примеры их применения

Современные волоконно-оптические датчики позволяют измерять почти все. Например, давление, температуру, расстояние, положение в пространстве, скорость вращения, скорость линейного перемещения, ускорение, колебания, массу, звуковые волны, уровень жидкости, деформацию, коэффициент преломления, электрическое поле, электрический ток, магнитное поле, концентрацию газа, дозу радиационного излучения и т.д.

Если классифицировать волоконно-оптические датчики с точки зрения применения в них оптического волокна, то, как уже было отмечено выше, их можно грубо разделить на датчики, в которых оптичес

Майорова Павла
Леонидовича, группа РЛ3-101.

Немтинов Владимир Борисович

Тема реферата:
"Оптическая обработка информации"

В данном реферате обсуждаются датчики газового состава, то есть речь идет об обработке информации о составе газовой смеси. Важность анализа газового состава сегодня не вызывает сомнений, поскольку она напрямую связана с основными проблемами современной цивилизации: экономией энергии, сырья, контролем качества, оптимизацией промышленных процессов, охраной окружающей среды, совершенствованием медико-биологических методов и т.д.

Датчики газового состава

Датчики, предназначенные для определения химического состава газовой смеси, получили широкое распространение, связанное прежде всего с контролем за процессами горения в целях экономии энергии и сокращения загрязнения атмосферы. Многие из новых датчиков газового состава предназначены для анализа газового состава горючих смесей или продуктов сгорания; O₂, СО, СО₂, Н₂О, SO₂, SO₃, NO_x, CH_x, и т. д.

Характеристики датчиков газового состава также претерпевают заметную эволюцию: появляются новые датчики с более высокой селективностью, происходит их миниатюризация, приспособление к измерению непосредственно в рабочем объеме; некоторые из них способны заменить сложные и громоздкие анализаторы.

Кислород в качестве объекта газового анализа занимает особое место: возможности точного и быстрого анализа этого газа, предоставляемые сегодня некоторыми датчиками и, прежде всего, датчиками на основе твердых электролитов, находят многочисленные применения в таких весьма различных областях человеческой деятельности, как химическая промышленность, металлургия, сельское хозяйство, пищевая промышленность, медицина, биология, системы кондиционирования и контроля атмосферы в лаборатории. Применение таких датчиков все расширяется, стимулируя разработку новых специальных зондов для таких газов, как Cl₂, SO₂, HCl, H₂S, H₂ и т. п.

возможность оперативного использования в непрерывном или квазинепрерывном режиме для контроля газовой среды либо определения ее физических параметров (температуры, давления, скорости циркуляции, содержания пыли и т.п.);
отсутствие необходимости в использовании химических реагентов;
невмешательство оператора в каждое измерение (для отбора проб, поверки и т. д.).

электрохимические датчики на основе твердых электролитов;
электрические датчики;
катарометры;
парамагнитные датчики;
оптические датчики.

Оптические датчики

Поглощение электромагнитного излучения молекулой газа может привести не только к возбуждению электрона, но также к изменениям колебательной энергии (колебания атомов относительно каждой химической связи) и вращательной энергии (вращение всей молекулы или ее части). Все эти изменения энергии являются квантованными. Возможны только определенные значения кинетического момента вращения или энергии колебаний, характеризующие так называемые колебательные и вращательные энергетические уровни.

Поглощение видимого, ультрафиолетового и рентгеновского излучений вызывает изменение электронной энергии молекул. Поглощение инфракрасного излучения приводит к изменениям колебательных и вращательных состояний молекул.

Эти эффекты используются в абсорбционной спектроскопии, которая является, следовательно, методом определения химического состава газа, поскольку получаемые спектры поглощения однозначно характеризуют его. Измерение интенсивности электромагнитного излучения, поглощаемого газовой смесью, зависит от природы газа и позволяет, таким образом, определить концентрацию данного газа в смеси. Согласно закону Бугера — Ламберта — Бера, доля (I/I₀) интенсивности излучения, поглощенного кюветой с газом, изменяется экспоненциально с длиной кюветы l, концентрацией c газа и коэффициентом поглощения а:

Применимость закона Бугера — Ламберта — Бера. Некорректное применение этого закона может привести к существенным ошибкам. Закон справедлив только в том случае, если излучение является монохроматическим, что не выполняется в случае бездисперсионных приборов. Кроме того, коэффициент удельного поглощения а изменяется с используемой шириной полосы, а изменение температуры анализируемого газа приводит к смещению полосы поглощения. Закон также не учитывает общего давления и влияния непоглощающих газов, присутствующих в смеси.

Для того чтобы устранить или учесть эти источники ошибок, наряду с другими неконтролируемыми факторами, такими, как изменение интенсивности излучения, изменение чувствительности детектора или загрязнение окон датчика, обычно используются приборы, работающие по двухлучевой схеме.

Газы, анализ которых в промышленности осуществляется с использованием методов абсорбционной спектроскопии, перечислены в табл. 1.

Анализаторы с использованием видимого и ультрафиолетового излучения. Пучок света, испускаемый лампой (обычно ртутной), монохроматизируется с помощью соответствующих фильтров.

В некоторых приборах монохроматическое излучение разделено на два пучка, направленные соответственно на кювету, через которую продувается смесь анализируемых газов, и на другую кювету, содержащую газ сравнения (двухлучевой спектрометр). Интенсивности излучения на выходе детектируются и сравниваются с помощью фотоэлементов.

В приборе другого типа (однолучевом спектрометре) пучок света направляется на кювету, через которую продувается смесь. После этой кюветы пучок света разделяется на два пучка, проходящие через два фильтра, один из которых дает излучение, поглощаемое анализируемым газом, а другой — не поглощаемое. Сопоставление интенсивностей этих потоков света осуществляется с помощью фотоэлементов.

Рис. 1. Принципиальная схема инфракрасного бездисперсионного двухлучевого спектрометра с положительным фильтром.

Анализаторы, использующие ИК-излучение. Дисперсионные или "монохроматизирующие" приборы используются для контроля процессов в промышленности очень редко; обычно используют недисперсионные приборы, т, е. приборы без спектрального разложения. Хотя селективность этих приборов ниже, однако при промышленном использовании они имеют ряд преимуществ, таких, как лучшая чувствительность, простота, надежность и меньшие эксплуатационные расходы.

В варианте однолучевого прибора излучение от источника проходит через кювету с анализируемым газом, а затем — последовательно через два обращающих фильтра, что позволяет сопоставить с помощью детектора поглощение для двух длин волн — одной, соответствующей пику поглощения для анализируемого газа, и другой — отвечающей минимальному поглощению (последняя принята в качестве стандарта).

Рис. 2. Принципиальная схема инфракрасного бездисперсионного двухлучевого спектрометра с отрицательным фильтром.

анализаторы с положительным фильтром;
анализаторы с отрицательным фильтром.

В анализаторах с отрицательным фильтром (рис. 2) излучение от источника направляется на кювету A, через которую продувается анализируемая газовая смесь (G + H), затем параллельно через кювету N, в которой циркулирует анализируемый газ H, и через компенсационную кювету F с газом, который может оказать мешающее влияние, и, наконец, на приемник (аналогичный описанному выше), включенный в дифференциальную схему. В этом приборе разность давлений между секциями P и Q детектора будет тем меньше, чем выше концентрация газа Н в смеси (отрицательный фильтр).

К настоящему времени достаточно разработана только инфракрасная абсорбционная спектроскопия. Около 80% анализаторов этого типа используются в промышленности для определения СО и СО₂ и для контроля загрязнения окружающей среды. Эти анализаторы менее распространены в сталелитейной промышленности по сравнению с масс-спектрометрами, несмотря на высокую стоимость последних.

Использование лазеров в качестве источника монохроматического излучения получило широкое распространение в анализаторах, требующих очень высокой чувствительности, и в дистанционном анализе без отбора проб (определение загрязняющих примесей).

Анализаторы, использующие УФ- или видимое излучение, применяются в промышленности значительно реже — в особых случаях, для которых не существует других простых методов анализа.

Аш Ж., Андре П. и др. Датчики измерительных систем.

Кулаков М.В. Технологические измерения и приборы для химических производств.

Данилов А.В, Диго СМ., Сорокин А.А. Корпоративные информационные системы

формат pdf
размер 2.02 МБ
добавлен 18 января 2010 г.

М. , 2004. Учебное пособие. Введение. Особенности проектировании корпоративной ПС. Требования к архитектуре корпоративной ИС. Проектирование клиент-серверных систем оперативной обработки транзакций. Инструментальные средства создании трехуровневои КИС. Проектирование распределенной БД средствами ER WIN. Администрирование сервера БД (на примере MS SQL SERVER). Создание новой базы данных. Структурирование БД. Создание пользователей БД и их прав. Ли.

Доклад - Технорабочее проектирование информационной системы

формат txt
размер 1.72 КБ
добавлен 23 августа 2009 г.

Краткий поверхностный доклад на тему "Технорабочее проектирование информационной системы" по дисциплине ПИС. Технорабочее проектирование информационной системы — это трудоемкая работа по созданию многоуровневой документации информационной системы. От полноты и качества технорабочей документации зависит не только ход внедрения, но и то, как долго система будет находиться в эксплуатации и удовлетворять потребности предприятия-заказчика.rn

Итоговый тест - Проектирование информационных систем

формат rtf
размер 338.03 КБ
добавлен 02 декабря 2010 г.

Дидактический тест (с ответами) для проведения контрольного опроса студентов по дисциплине Проектирование информационных систем" цикла специальных дисциплин ГОС специальности 351400 - Прикладная информатика (по областям)

Лабораторная работа - ERwin. Прямое и обратное проектирование

формат doc
размер 223 КБ
добавлен 13 мая 2011 г.

Лабораторная работа - Каноническое проектирование. Стадии и этапы процесса проектирования ИС

формат doc
размер 69 КБ
добавлен 13 мая 2011 г.

формат vsd
размер 103.83 КБ
добавлен 30 мая 2010 г.

Лабораторная работа №2 - Проектирование информационных технологических процессов. Стандарт DFD (Data Flow Diagram)

формат vsd
размер 84.04 КБ
добавлен 30 мая 2010 г.

Полный курс лекций - Проектирование ИС. Часть 1 из 2

формат doc
размер 480.61 КБ
добавлен 21 марта 2010 г.

Теоретические основы проектирования АЭИС. Архитектура АЭИС. Принципы создания АЭИС. Этапы развития АЭИС и методов их разработки. Классификация методов и технологий проектирования. Жизненный цикл АИС. Технология проектирования. Каноническое проектирование. Технологии автоматизированного проектирования ЭИС (CASE-технологии). Методологии структурного проектирования ЭИС. Диаграммы потоков данных (DFD). Технологическая сеть проектирования ЭИС на основ.

Реферат - Этапы и стратегии разработки КИС. Классический жизненный цикл

формат docx
размер 147.67 КБ
добавлен 17 сентября 2010 г.

Смирнова Г.Н., Сорокин А.А., Тельнов Ю.Ф. Проектирование информационных систем

формат doc
размер 6.76 МБ
добавлен 07 марта 2011 г.

Учебник. Изд-во Финансы и статистика, 2002 год. 491 страница. Теоретические основы проектирования, каноническое проектирование экономических инф. систем, индустриальное проектирование корпоративных экономических информационных систем. Для студентов, обучающихся по специальностям Прикладная ин-форматика в экономике, Прикладная информатика в менеджменте, Прикладная информатика в юриспруденции, а также для специалистов в области разработки экономиче.

Читайте также: