Волоконно-оптические датчики
Курсовой проект - Физика
Другие курсовые по предмету Физика
ому же такие датчики невосприимчивы к электромагнитным помехам. Традиционные электрические датчики часто приходится размещать в тяжелой экранирующей оболочке, что значительно увеличивает их стоимость, размер и вес. Устойчивость к воздействиям внешней среды является определяющей при использовании волоконно-оптических датчиков в условиях высокой температуры, а твердотельная структура позволяет им выдерживать предельные уровни вибрационных и ударных нагрузок. К перечисленным выше свойствам можно добавить высокую чувствительность и широкополосность. При объединении каналов матрицы датчиков широкая полоса пропускания самих оптических волокон позволяет передавать получающиеся в результате данные и тем самым обеспечивает определенное преимущество.
Таблица 1 - Преимущества волоконно-оптических датчиков
Пассивность (датчики полностью диэлектрические) ЛегкостьМалогабаритностьНевосприимчивость к электромагнитной интерференцииСпособность работать при высоких температурах Широкая полоса пропускания Устойчивость к вибрации и ударам Высокая чувствительностьВозможность уплотнения электрических и оптических сигналов Стоимость компонент определяется крупным телекоммуникационным и оптоэлектронным рынком сбыта
Ранние работы по волоконно-оптическим датчикам, как правило, можно отнести к двум основным категориям. Относительно простые волоконно-оптические датчики быстро стали серийно выпускаемыми изделиями, часто благодаря небольшим начинающим фирмам, и сформировали специализированный рынок средств измерений. В качестве одного из первых таких примеров можно рассматривать измерение температуры в области высокого напряжения. Более сложными волоконно-оптическими датчиками, такими как волоконно-оптические гироскопы или гидроакустические приемные антенные решетки, занимались большие производственные фирмы при поддержке правительственных программ, стараясь выйти на потенциально большие высокоплатежеспособные рынки. Первоначальное проникновение на рынок в период с 1980 по 1990 год в условиях постоянной конкуренции с традиционными технологиями датчиков происходило медленно в значительной степени из-за высокой стоимости ограниченного количества подходящих компонент. Но ситуация быстро меняется, и перспективы выглядят чрезвычайно благоприятно. Как показано на рисунке 1, стоимость основных оптических элементов быстро падает, в то время как их количество и разнообразие возрастает. Все эти факторы сочетаются с повышением надежности и улучшением качества компонент. В конечном результате это привело к быстрому расширению ассортимента производимых волоконно-оптических датчиков и началу стремительного продвижения их на рынок.
1980 1990 2000
Рисунок 1 - Тенденции развития волоконно-оптических датчиков
Таблица 2 иллюстрирует резкие и значительные изменения, касающиеся некоторых ключевых элементов. Стоимость одномодовых лазерных диодов в конце 1970-х годов достигала нескольких тысяч долларов, а их срок службы составлял всего несколько часов. К 1990 году эти элементы использовались в миллионах CD-плееров и лазерных принтеров, их стоимость упала до нескольких долларов за единицу, а ресурс исчислялся десятками тысяч часов. Стоимость одномодового оптического волокна в конце 1970-х годов составляла порядка $10 за метр, и его было трудно приобрести. В 1990 году использование такого волокна стало нормой в индустрии телекоммуникаций, и ежегодно прокладывались миллионы километров линий связи при стоимости волокна менее $0,10 за метр. В обоих случаях развитие привело к уменьшению величины стоимости примерно на три порядка и сопровождалось одинаково резким возрастанием качества и стандартизации.
За базовыми элементами последовали более сложные устройства, та кие как интегральные оптические модуляторы, которые в конце 1970-х годов были лабораторными диковинками, крайне далекими от серийно выпускаемых изделий. К 1990 году эти изделия в небольших количествах появились на рынке, при этом стоимость каждого из них составляла несколько тысяч долларов. Этот датчик, который в конце 1970-х годов сам по себе был редким лабораторным прибором, выполненным на интегральных оптических фазовых модуляторах, являющихся его ключевым элементом. В 1990 году эти устройства предлагались на рынке в ограниченном количестве по цене $20000 за единицу. Чтобы обеспечить проникновение на рынок, стоимость устройств со средними характеристиками должна упасть примерно до $500-1000. А для этого в свою очередь требуется, чтобы стоимость фазовых модуляторов снизилась примерно до $50 за единицу.
Таблица 2 - Необходимые компоненты для волоконно-оптических датчиков существенно дешевеют
198019902000Лазерные диоды$3000/шт. (опытные образцы)$3/шт.(CD-плееры) -Одномодовое волокно$5-10/м (ограниченное предложение на рынке)$0,1/м (стандартная связь) -Интегрированные оптические модуляторыЛабораторные образцы$7000/шт. (опытные образцы)$50/шт. (волоконно-оптические гироскопы)Волоконно-оптические гироскопыЛабораторные образцы$20000/шт. (опытные образцы)$500-1000/шт. (недорогие навигационные приборы)
Появление каждого нового успешного продукта стоимость существующих и вновь внедряемых компонент продолжает снижаться, что открывает дорогу наплыву новых серийно выпускаемых волоконно-оптических датчиков. В 1980 году доступно было очень мало компонент и их стоимость была относительно высокой, а это приводило к тому, что приложения на основе волоконно- оптических да?/p>