Microsoft Word doc

11.5. 
Механическая
 
прочность
 
оптических
 
волокон
 
Основными
физико
-
механическими
свойствами
ОВ
явля
-
ются
механическая
прочность
и
минимальный
радиус
изгиба
. 
Указанные
физико
-
механические
свойства
определяют
пригод
-

---

299 
ность
использования
ОВ
в
оптических
кабелях
, 
поэтому
пробле
-
мам
улучшения
физико
-
механических
характеристик
ОВ
уделя
-
ет
особое
внимание
. 
Физико
-
механические
свойства
ОВ
довольно
существенно
отличаются
от
свойств
исходного
материала
, 
из
которого
они
изготавливаются
. 
Прежде
всего
это
относится
к
механической
прочности
, 
которая
у
ОВ
больше
. 
Так
, 
если
предел
прочности
при
растяжении
для
стекла
составляет
(3,9...9,8)
⋅
10
7
Па
, 
то
ОВ
диаметром
3...9 
мкм
, 
изготовленное
из
того
же
стекла
, 
имеет
этот
предел
(1,47...1,9)
⋅
10
9
Па
. 
Одной
из
причин
повышения
прочности
ОВ
является
так
называемый
масштабный
фактор
(
увеличение
прочности
для
изделий
малого
сечения
). 
Механическая
прочность
ОВ
зависит
от
химического
со
-
става
материала
сердцевины
и
оболочки
, 
отношения
их
площа
-
дей
в
поперечном
сечении
, 
диаметра
волокна
и
окружающих
условий
. 
Прочность
ОВ
также
в
значительной
степени
зависит
от
технологических
условий
его
получения
. 
Основным
факто
-
ром
, 
снижающим
прочность
ОВ
в
процессе
изготовления
, 
явля
-
ются
случайные
поверхностные
дефекты
. 
Уже
при
малых
(
на
-
чальных
) 
деформациях
появляются
микротрещины
, 
приводя
-
щие
, 
в
свою
очередь
, 
к
повышению
локальных
напряжений
. 
Поэтому
прочность
зависит
как
от
размеров
дефектов
, 
так
и
их
распределения
по
длине
. 
С
увеличением
длины
ОВ
его
проч
-
ность
снижается
, 
так
как
число
поверхностных
дефектов
увели
-
чивается
. 
В
конечном
счете
, 
когда
концентрация
напряжений
в
месте
расположения
дефекта
достигнет
критического
значения
данного
материала
, 
ОВ
обрывается
. 
Другим
фактором
, 
влияющим
на
прочность
ОВ
, 
является
окружающая
среда
. 
В
сухой
среде
прочность
ОВ
наибольшая
, 
а
с
увеличением
влажности
она
снижается
. 
Дело
в
том
, 
что
ОВ
, 
находящиеся
в
напряженном
состоянии
в
присутствии
влаги
, 
подвержены
статической
усталости
– 
процессу
развития
трещин
во
времени
. 
В
результате
разрыв
ОВ
наступает
при
значительно
меньших
напряжениях
. 
Оптическое
волокно
, 
находящееся
в
во
-
де
, 
снижает
свою
механическую
прочность
на
20...30 %. 

---

300 
Основной
причиной
излома
ОВ
является
их
малая
гиб
-
кость
. 
С
уменьшением
диаметра
ОВ
прочность
на
изгиб
повы
-
шается
. 
Так
, 
например
, 
если
ОВ
диаметром
50…70 
мкм
являют
-
ся
достаточно
гибкими
, 
то
при
увеличении
диаметра
до
100 
мкм
и
более
гибкость
существенно
падает
. 
На
гибкость
ОВ
сущест
-
венно
оказывает
влияние
и
окружающая
среда
. 
С
повышением
влажности
воздуха
сопротивление
изгиба
резко
снижается
. 
Для
повышения
прочности
и
гибкости
ОВ
в
процессе
из
-
готовления
покрывают
защитной
оболочкой
. 
Это
позволяет
за
-
щитить
поверхность
ОВ
от
механических
и
климатических
воз
-
действий
, 
снижающих
физико
-
механические
характеристики
. 
11.6. 
Принцип
 
работы
 
волоконного
 
 
оптического
 
гироскопа
 
Гироскоп
(
от
греч
. 
gyréu
ō
– 
кружусь
, 
вращаюсь
и
skopé
ō
– 
смотрю
, 
наблюдаю
) – 
быстро
вращающееся
симметричное
твер
-
дое
тело
, 
ось
вращения
которого
(
ось
симметрии
) 
может
сохра
-
нять
свое
направление
в
пространстве
. 
Это
устройство
является
основным
элементом
приборов
, 
применяемых
для
управления
движением
самолетов
, 
ракет
и
в
ряде
других
систем
гироскопи
-
ческой
стабилизации
для
целей
навигации
. 
Волоконный
 
оптический
 
гироскоп
(
ВОГ
) – 
скоростной
квантовый
гироскоп
, 
основанный
на
использовании
эффекта
 
Саньяка
(
G. Sagnac, 
опыт
1913 
г
.) – 
смещения
интерференцион
-
ных
полос
во
вращающемся
кольцевом
интерферометре
. 
Это
смещение
возникает
вследствие
зависимости
времени
обхода
светом
вращающегося
контура
от
скорости
вращения
и
направ
-
ления
обхода
. 
Согласно
общей
теории
относительности
, 
раз
-
ность
времени
обхода
вращающегося
контура
∆τ
в
рамках
нере
-
лятивистской
кинематики
равна
2
τ
4
cos
φ
S
c
∆ =
Ω
,
(11.10) 
где
S – 
площадь
контура
; 
Ω
– 
угловая
скорость
вращения
;
φ
– 
угол
между
осью
вращения
и
нормалью
к
плоскости
кон
-

---

301 
тура
; 
с
– 
скорость
света
. 
В
результате
величина
сдвига
интер
-
ференционных
полос
∆
z 
определяется
выражением
0
4 cos
φ λ
z
S
c
∆ =
,
(11.11) 
где
λ
0
– 
длина
волны
света
в
вакууме
. 
Регистрация
малых
угловых
скоростей
вращения
требует
большой
площади
контура
, 
поэтому
практическое
использование
эффекта
Саньяка
стало
осуществи
-
мым
лишь
с
появлением
волоконных
световодов
. 
Сдвиг
интерференционных
полос
пропорционален
числу
витков
световода
в
катушке
, 
не
зависит
от
положения
оси
вра
-
щения
относительно
центра
катушки
, 
от
формы
площади
ка
-
тушки
S, 
от
показателя
преломления
света
(
без
учета
дисперсии
) 
и
записывается
в
виде
c
0
2
cos
φ λ
z
L R
c
∆ =
Ω
,
(11.12) 
где
L
с
– 
длина
оптического
волокна
; R – 
радиус
катушки
. 
Многовитковая
катушка
с
волоконным
световодом
, 
обес
-
печивающая
стабильность
поляризации
и
разности
фаз
интер
-
ферирующих
волн
, 
является
чувствительным
элементом
ВОГ
. 
Ее
контур
образован
нитью
оптического
волокна
длиной
L
с
, 
на
-
мотанного
на
цилиндр
радиусом
R. 
В
соответствии
с
рис
. 11.21 
излучение
лазерного
 
диода
подается
на
светоделитель
и
разде
-
ляется
на
два
луча
. 
Эти
лучи
, 
обошедшие
контур
в
противопо
-
ложных
направлениях
, 
рекомбинируют
на
светоделителе
и
сме
-
шиваются
в
фотодетекторе
, 
преобразующем
оптический
сигнал
в
электрический
– 
выходной
ток
фотодетектора
повторяет
изме
-
нения
интенсивности
(
мощности
) 
входного
излучения
. 
Таким
образом
, 
значения
выходного
тока
пропорциональны
в
конеч
-
ном
счете
угловой
скорости
вращения
контура
Ω
. 
Электронное
 
устройство
 
обработки
информации
может
вычислять
угол
по
-
ворота
контура
θ
, 
скорость
угла
поворота
и
другие
характери
-
стики
объекта
, 
на
котором
установлен
ВОГ
. 

---

302 
Рис
. 11.21. 
Принципиальная
схема
волоконного
оптического
гироскопа
Для
увеличения
точности
ВОГ
используется
ряд
мето
-
дов
. 
Так
, 
например
, 
флуктуации
интерференционных
полос
из
-
за
рэлеевского
рассеяния
и
невзаимные
сдвиги
фаз
за
счет
раз
-
ности
интенсивностей
встречных
волн
могут
быть
уменьшены
посредством
использования
источников
излучения
с
широким
спектром
– 
полупроводниковых
 
лазеров
(
лазерных
диодов
). 
Влияние
эффектов
из
-
за
изменения
двойного
лучепреломления
в
волокне
при
различных
внешних
воздействиях
(
механических
, 
тепловых
, 
акустических
и
др
.) 
может
быть
ослаблено
посредством
использования
одномодовых
 
световодов
. 
Прямое
измерение
сдви
-
га
интерференционной
полосы
(
фазы
Саньяка
) 
ограничивает
точ
-
ность
и
динамический
диапазон
, 
поэтому
в
реальных
ВОГ
приме
-
няют
более
сложные
методы
регистрации
. 
Например
, 
используется
фотодетектирование
– 
нелинейное
преобразование
оптического
излучения
в
электрический
сигнал
в
виде
последовательности
им
-
пульсов
электрического
тока
. 
По
сравнению
со
сложными
и
дорогостоящими
электро
-
механическими
гироскопами
, 
применяемыми
в
качестве
чувст
-
вительного
элемента
вращения
в
инерциальных
системах
нави
-

---

303 
гации
, 
управления
и
стабилизации
, 
ВОГ
обладает
следующими
преимуществами
: 
– 
малые
габариты
и
масса
конструкции
благодаря
воз
-
можности
создания
ВОГ
полностью
на
интегральных
оптических
схемах
; 
– 
невысокая
стоимость
производства
и
конструирования
при
массовом
изготовлении
и
относительная
простота
технологии
; 
– 
предельно
малое
потребление
энергии
, 
что
имеет
немало
-
важное
значение
при
использовании
ВОГ
на
борту
; 
– 
отсутствие
вращающихся
механических
элементов
(
ро
-
торов
) 
и
подшипников
, 
что
повышает
надежность
и
удешевляет
производство
; 
– 
практически
мгновенная
готовность
к
работе
, 
поскольку
не
 
затрачивается
время
на
раскрутку
ротора
; 
– 
высокая
чувствительность
(
точность
) 
прибора
, 
состав
-
ляющая
около
10
–4
град
/
ч
; 
– 
большой
динамический
диапазон
измеряемых
угловых
скоростей
(
от
1 
град
/
ч
до
300 
град
/
с
); 
– 
нечувствительность
к
большим
линейным
ускорениям
и
, 
следовательно
, 
работоспособность
в
условиях
высоких
меха
-
нических
перегрузок
; 
– 
высокую
помехоустойчивость
, 
нечувствительность
к
мощ
-
ным
внешним
электромагнитным
воздействиям
из
-
за
диэлектриче
-
ской
природы
волокна
; 
– 
слабую
подверженность
проникающей
гамма
-
нейтронной
радиации
, 
особенно
в
диапазоне
1,3 
мкм
.