Устройство оптических кабелей связи

Устройство оптических кабелей связи

Передача данных с помощью оптоволоконных линий, на данный момент времени, является самым эффективным и современным способом передачи информации на дальние расстояния.

Изучение информации, представленной в данной статье, даст вам представление о том, что представляет из себя структура оптического кабеля, а также из чего сделан оптический кабель.

Структура оптического кабеля

Стоит отметить, что в зависимости от своего назначения, устройство оптических кабелей связи может различаться, кабели могут иметь различную структуру, мы же рассмотрим типовую структуру и строение оптического кабеля.

1. Центральный (осевой) стержень. Представляет из себя стержень, предназначенный для обеспечения жёсткости всего кабеля. Стержень может выполняться из различных материалов: стеклопластик или металл. Данный стержень иногда помещают в оболочку из полимера.
2. Оптическое волокно. Оптическое волокно представляет из себя «трубку» диаметром 125 мкм. Размер сердцевины 9 (для одномодового волокна), 50 или 62,5 мкм (для многомодового волокна) мкм.
3. Пластиковые модули для оптических волокон. Предназначены для защиты оптических волокон от механических повреждений. Структурно является пластиковой оболочкой с гидрофобным заполнителем.
4. Гидрофобный гель. Обеспечивает защиту волокон от влаги и трения.
5. Внутренняя оболочка. Выполняет функцию защиты слоёв 1-4. В качестве материала может использоваться полимер или полиэтилен.
6. Броня. Обеспечивает защиту кабеля от механических повреждений.
7. Внешняя оболочка. Внешний защитный слой, препятствующий попаданию влаги, паров вредных веществ в структуру кабеля, воспринимающий атмосферные воздействия. От данного слоя, в большей степени зависит целостность всего кабеля. В качестве материала для оболочки может применяться полимерная композиция, полиэтилен, полиуретан, фторопласт.

Из чего сделан оптический кабель

В зависимости от материала изготовления оптический кабель может содержать полностью стеклянные волокна, либо полностью пластиковые волокна. Материал изготовления напрямую влияет на технические характеристики оптического кабеля, такие как погонное затухание волны и дисперсия в заданном спектральном интервале. Лучшие показатели, с точки зрения пропускной способности, показывает оптический кабель со стеклянными волокнами.

Армирование оптического кабеля может выполняться с применением таких материалов, как кевлар и тварон. Оптоволоконному кабелю с данными материалами армирующего слоя отдают предпочтение, когда по техническим условиям недопустимо применение металла или требуется снижение веса кабельной линии. Данные материалы способны выдерживать значительные линейные нагрузки при малом относительном удлинении. Могут применяться в длинных линиях оптоволоконной связи. Так же имеют хорошие эксплуатационных показатели в части устойчивости к атмосферным явлениям, перепадам температур. Практически не меняют своих физических свойств в процессе эксплуатации. Не поддерживают горение.

Оптические приборы. Фотоаппарат.

Оптические приборы, представляющие собой совокупность нескольких призм или линз, нескольких зеркал или одновременно линз, призм и зеркал, предназначены для преобразования световых пучков. С их помощью могут изменяться направления хода световых лучей, или телесные углы, в пределах которых распространяются световые пучки. Последнее обстоятельство связано с получением изображений, размеры которых отличаются от размеров предметов.

Первое, на что нужно обращать внимание при анализе действия оптической системы, — это назначение и реальные условия ее работы. Где может располагаться предмет перед системой? Какое изображение (увеличенное, уменьшенное, обратное или прямое) должна давать система? С помощью чего регистрируется полученное изображение (на экране, фотопленке, рассматривается невооруженным глазом или глазом через какую-нибудь линзовую систему)?

Все оптические приборы можно разделить на две группы:

1) приборы, при помощи которых получают оптические изображения на экране. К ним относятся проекционные аппараты , фотоаппараты , киноаппараты и др.

2) приборы, которые действуют только совместно с человеческими глазами и не образуют изображений на экране. К ним относится лупа , микроскоп и различные приборы системы телескопов . Такие приборы называются визуальны ми.

Фотоаппаратом называется оптико-механический прибор, предназначенный для получения на фотопленке или фотопластинке изображения фотографируемого предмета.

Фотография была изобретена в 30–х годах XIX века и прошла долгий путь развития. Современная фотография, ставшая малоформатной, моментальной, цветной, стереоскопической, нашла широчайшее применение во всех областях нашей жизни. Велика её роль в исследовании природы. Фотография позволяет рассматривать различные объекты (от микроскопических до космических), невидимые излучения и т.д. Всем известное значение художественной фотографии, детищем которой является кино.

Основными частями фотоаппарата являются непрозрачная камера и система линз, называемая объективом. Простейший объектив представляет собой одну собирающую линзу. Объектив создаёт вблизи задней стенки камеры действительное перевёрнутое изображение фотографируемого предмета. В большинстве случаев предмет находится на расстоянии, большем двойного фокусного, поэтому изображение получается уменьшенным. В том месте, где получается изображение, помещается фотоплёнка или фотопластинка, покрытая слоем светочувствительного вещества – фотоэмульсией.

Фотографируемые предметы могут находиться на разных расстояниях от аппарата, следовательно, расстояние между объективом и плёнкой также необходимо изменять, что осуществляется обычно перемещением объектива.

Световая энергия, попадающая на светочувствительный слой, дозируется фотографическим затвором, который даёт доступ свету лишь на определённое время – время экспозиции. Время экспозиции зависит от чувствительности фотоэмульсии и от освещённости плёнки, которая зависит, в частности, от диаметра объектива. Диаметр действующей части объектива можно менять с помощью диафрагмы и этим регулировать освещённость фотоплёнки. Уменьшая отверстие диафрагмы, можно добиться того, что изображение предметов, находящихся на различных расстояниях от аппарата, будут достаточно чёткими. Возрастёт, как говорят, глубина резкости.

Диафрагма регулирует световой поток, который попадает на пленку. Фотоаппарат дает уменьшенное, обратное, действительное изображение, которое фиксируется на пленке. Под действием света состав пленки изменяется и изображение запечатлевается на ней. Оно остаётся невидимым до тех пор, пока пленку не опустят в специальный раствор — проявитель. Под действием проявителя темнеют те места пленки, на которые падал свет. Чем больше было освещено какое-нибудь место пленки, тем темнее оно будет после проявления. Полученное изображение называется негативом (от лат. negativus — отрицательный), на нем светлые места предмета выходят темными, а темные светлыми.

Чтобы это изображение под действием света не изменялось, проявленную пленку погружают в другой раствор — закрепитель. В нем растворяется и вымывается светочувствительный слой тех участков пленки, на которые не подействовал свет. Затем пленку промывают и сушат.

С негатива получают позитив (от лат. pozitivus — положительный), т. е. изображение, на котором темные места расплолжены так же как и на фотографируемом предмете. Для этого негатив прикладывают к бумаге тоже покрытой светочувствительным слоем (к фотобумаге), и освещают. Затем фотобумагу опускают в проявитель, потом в закрепитель, промывают и сушат.

После проявления пленки при печатании фотографий пользуются фотоувеличителем, который увеличивает изображение негатива на фотобумаге.

Проекционный аппарат (проектор) предназначен для получения на экране действительного увеличенного изображения. Следовательно, и здесь объектив представляет собой собирающую линзу, только предмет помещают между F и 2F (F<d<2F) , а изображение получается на расстоянии, большем 2F (f>2F) .

Проекционные аппараты — это хорошо известные фильмоскопы, эпипроекторы, диапроекторы, эпидиаскопы, киноаппараты, кодаскопы и др.

Схема оптического устройства диапроектора изображена на рисунке 1, а. Главная часть аппарата — объектив О . Предметом служит прозрачный рисунок или фотоснимок на стеклянной пластинке (или прозрачной пленке) Д . Такую пластинку называют диапозитивом .

Размеры диапозитива обычно больше размеров объектива. Поэтому чтобы направить в объектив весь свет, идущий от диапозитива, применяют конденсор К , который представляет собой короткофокусную систему линз значительного размера. Располагают конденсор так, чтобы свет от него сходился в оптическом центре объектива. В качестве источников света Л используют мощные (300, 500 и 1000 Вт) лампы накаливания (или дуговые лампы) с рефлектором Р , источник света помещен в фокусе рефлектора.

Для проецирования на экран непрозрачных предметов (чертежей, рисунков из книг и др.) используют эпипроектор (рис. 1, б). Предмет освещается сбоку светом, отраженным от вогнутого зеркала, в фокусе которого расположен источник света Л. Отраженный от предмета свет с помощью плоского зеркала З направляется на объектив О .

Аппараты, в которых устройство обыкновенного проекционного аппарата (диаскопа) и эпископа совмещено, называют эпидиаскопами (рис. 1, в).

Эпидиаскоп имеет два объектива О и O ₁ откидную ширму Ш , отражатель и столик С для непрозрачных предметов. Когда ширма Ш опущена (рис. 1), эпидиаскоп действует как проекционных аппарат.

При поднятии ширмы закрываются конденсатор К и объектив О , и открывается столик С , на котором помещают непрозрачный предмет, освещаемый тем же повернутым источником света Л с рефлектором Р . Свет, отраженный от предмета, падает на зеркало 3 и от него отражается на второй объектив O ₁ .

Лупа. Чтобы увидеть мелкие детали предмета, их нужно рассматривать под большим углом зрения, но увеличение этого угла ограничено пределом аккомодационных возможностей глаза. Увеличить угол зрения (сохраняя расстояние наилучшего зрения d ) можно, используя оптические приборы (лупы, микроскопы) .

Лупой называют короткофокусную собирающую линзу или систему линз, действующих как одна собирающая линза (обычно фокусное расстояние лупы не превышает 10 см).

Ход лучей в лупе показан на рисунке. Лупу помещают близко к глазу, а рассматриваемый предмет АВ=А ₁ В ₁ располагают между лупой и ее передним фокусом, чуть ближе последнего. Подбирают положение лупы между глазом и предметом так, чтобы видеть резкое изображение предмета. Это изображение А ₂ В ₂ получается мнимым, прямым, увеличенным и находится на расстоянии наилучшего зрения OB ₂ = d от глаза, а сам глаз находится непосредственно перед лупой.

Использование лупы приводит к увеличению угла зрения, под которым глаз рассматривает предмет. Действительно, когда предмет находился в положении А ₁ В ₁ и рассматривался невооруженным глазом, угол зрения был ϕ ₁ . Предмет поместили между фокусом и оптическим центром лупы в положение АВ , и угол зрения стал ϕ ₂ . Поскольку ϕ ₁ > ϕ ₂ , то с помощью лупы на предмете можно рассмотреть более мелкие детали, чем невооруженным глазом.

Из рисунке видно также, что линейное увеличение лупы:

Простейший микроскоп — это система с двух линз: объектива и окуляра. Предмет АВ размещается перед линзой, которая является объективом, на расстоянии F ₁ < d < 2F ₁ и рассматривается через окуляр, который используется как лупа. Увеличение Г микроскопа равно произведению увеличения объектива Г ₁ на увеличение окуляра Г ₂ :

Принцип действия микроскопа сводится к последовательному увеличению угла зрения сначала объективом, а затем — окуляром.

К оптическим устройствам относятся

ВОЛС – волоконно-оптическая линия связи (в 2011 году официально переименована в ВОЛП –волоконно-оптическая система передачи) – предназначена для передачи информации в оптическом, как правило, в ближнем инфракрасном, диапазоне, состоящая как из активных, так и пассивных элементов.

К активным компонентам относятся мультплексор или демультиплексор, регенераторы, усилители, лазеры, фотодиоды и модуляторы.

Мультиплексор – объединяет несколько сигналов в один, таким образом для одновременной передачи нескольких сигналов реального времени можно использовать один оптоволоконный кабель. Эти устройства незаменимы в системах с недостаточным или ограниченным числом кабелей.

Существует несколько типов мультиплексоров, они различаются по своим техническим характеристикам, функциям и области применения:

• спектрального разделения (WDM) – самые простые и дешевые устройства, передает по одному кабелю оптические сигналы от одного или нескольких источников, работающих на различных длинах волн;
• частотного-модулирования и частотного мультиплексирования (FM-FDM) – устройства достаточно невосприимчивые к шуму и искажениям, с хорошими характеристиками и схемами средней степени сложности, имеют 4,8 и 16 каналов, оптимальны для видеонаблюдения.
• Амплитудной модуляции с частично подавленной боковой полосой (AVSB-FDM) – с качественной оптоэлектроникой позволяют передавать до 80 каналов, оптимальны для абонентского телевидения, но дороговаты для видеонаблюдения;
• Импульсно-кодовой модуляции (PCM – FDM)– дорогостоящее устройство, полностью цифровое применяется для распространения цифрового видео и и видеонаблюдения;

На практике часто применяются комбинации этих методов.

Регенератор — устройство, осуществляющее восстановление формы оптического импульса, который, распространяясь по волокну, претерпевает искажения. Регенераторы могут быть как чисто оптическими, так и электрическими, которые преобразуют оптический сигнал в электрический, восстанавливают его, а затем снова преобразуют в оптический.

Усилитель — усиливает мощность сигнала до требуемого уровня напряжения тока, может быть оптическим и электрическим, осуществляет оптико-электронное и электронно-оптическое преобразование сигнала.

Светодиоды и Лазеры — источник монохромного когерентного оптического излучения (света для кабеля). Для систем с прямой модуляцией, одновременно выполняет функции модулятора, преобразующего электрический сигнал в оптический.

Фотоприёмник (Фотодиод) — устройство, принимающее сигнал на другом конце оптоволоконного кабеля и осуществляющее оптоэлектронное преобразование сигнала.

Модулятор — устройство, модулирующее оптическую волну, несущую информацию по закону электрического сигнала. В большинстве систем эту функцию выполняет лазер, однако в системах с непрямой модуляцией для этого используются отдельные устройства.

К пассивным компонентам ВОЛС относятся:

• Оптоволоконный кабель – выполняет функции среды для передачи сигнала. Наружная оболочка кабеля может быть изготовлена из различных материалов: поливинилхлорида, полиэтилена, полипропилена, телефона и других материалов. Оптический кабель может иметь бронирование различного типа и специфические защитные слои (например, мелкие стеклянные иглы для защиты от грызунов).
• Оптическая муфта — устройство, используемое для соединения двух и более оптических кабелей.
• Оптический кросс — устройство, предназначенное для оконечивания оптического кабеля и подключения к нему активного оборудования.

Главные преимущества ВОЛС:

• Широкая полоса пропускания;
• Незначительное ослабление сигнала, например, применительно к сигналу 10МГц оно составит 1,5 дБ/км по сравнению с 30дБ/км для коаксиального кабеля RG6;
• Исключена возможность возникновения «земляных петель», так как оптоволокно является диэлектриком и создает электрическую (гальваническую) изоляцию между передающим и принимающим концом линии;
• Высокая надёжность оптической среды: оптические волокна не окисляются, не намокают, не подвержены электромагнитному воздействию
• Не вызывает помех в соседних кабелях или в других оптоволоконных кабелях, так как носителем сигнала является свет и он полностью остается внутри оптоволоконного кабеля;
• Стекловолокно абсолютно не чувствительно к внешним сигналам и электромагнитным помехам (ЭМП), не имеет значения рядом с каким блоком питания проходит кабель (110 В, 240 В, 10 000 В переменного тока) или совсем рядом от мегаватного передатчика. Удар молнии на расстоянии 1 см. от кабеля не даст ни каких наводок и не отразится на работе системы;
• Информационная безопасность — информация по оптическому волокну передаётся «из точки в точку» и подслушать или изменить ее можно только путем физического вмешательства в линию передачи
• Оптоволоконный кабель легче и миниатюрней – его удобней и проще укладывать чем электрический кабель такого же диаметра;
• Сделать ответвление кабеля без повреждения качества сигнала не возможно. Любое вмешательство в систему сразу обнаруживается на принимающем конце линии, это особенно важно для систем обеспечения безопасности и видеонаблюдения;
• Пожаро- и взрывобезопасность при изменении физических и химических параметров
• Стоимость кабеля снижается с каждым днем, его качество и возможности начинают превалировать над затратами на построение слаботочных на базе ВОЛС

• Хрупкость стекловолокна – при сильном изгибании кабеля возможна поломка волокон или их замутнение из-за возникновения микротрещин. Для устранения и минимизации этих рисков применяются усиливающие кабель конструкции и оплетки. При монтаже кабеля необходимо соблюдать рекомендации производителя (где, в частности, нормируется минимально допустимый радиус изгиба);
• Сложность соединения в случае разрыва – требуется специальный инструмент и квалификация исполнителя;
• Сложная технология изготовления, как самого волокна, так и компонентов ВОЛС;
• Сложность преобразования сигнала (в интерфейсном оборудовании);
• Относительная дороговизна оптического оконечного оборудования. Однако, оборудование является дорогим в абсолютных цифрах. Соотношение цены и пропускной способности для ВОЛС лучше, чем для других систем;
• Замутнение волокна вследствие радиационного облучения (однако, существуют легированные волокна с высокой радиационной стойкостью).

Оптоволоконный кабель применяется для обеспечения связи и передачи информации уже более 40 лет, но из-за высокой стоимости широко использоваться стал сравнительно недавно. Развитие технологий позволило сделать производство экономичней и стоимость кабеля доступней, а его технические характеристики и преимущества перед другими материалами быстро окупают все понесенные расходы.

В настоящее время, основной сферой применения ВОЛС являются мети передачи информационных сигналов, например, вычислительные сети, видеонаблюдение, телекоммуникационные системы контроля доступа и пр.

Монтаж систем ВОЛС требует от исполнителя соответствующего уровня квалификации, так как концевая заделка кабеля производится специальными инструментами, с особой точностью и мастерством в отличии от других средств передачи. Настройки маршрутизации и переключения сигналов требуют специальной квалификации и мастерства, поэтому в этой области не стоит экономить и бояться переплатить профессионалам, устранение нарушений в работе системы и последствий не правильного монтажа кабеля обойдется дороже.

Специалисты компании Диплайн осуществляют проектирование, монтаж и сервисную поддержку коммуникаций, а также модернизацию сетевой инфраструктуры заказчика, построенных на основе ВОЛС.

Оптический датчик

Оптические датчики — одни из самых необходимых в системах автоматизированного управления устройств. В этой статье мы расскажем о том, что представляют собой такие бесконтактные выключатели, рассмотрим их строение, принцип работы и области использования.

1. Общее понятие
2. Строение
3. Схема подключения
4. Типы фотоэлектрических датчиков
5. Области применения

Общее понятие

Оптические датчики — это устройства, призванные реагировать на изменения в окружающей среде — появление в зоне видимости полупрозрачных и непрозрачных предметов, дыма, пара, аэрозолей. Они подают сигнал на вход регистрирующей или управляющей системы в момент, когда происходит воздействие электромагнитного излучения в видимом, инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах.

Оптические устройства входят в группу бесконтактных датчиков. Механический контакт между сенсором и воздействующим на него объектом отсутствует. Устройство действует на более дальнее расстояние, чем иные виды бесконтактного оборудования. Благодаря этому такие датчики широко используются в автоматизированных системах управления.

Строение

Оптические бесконтактные выключатели имеют в своей конструкции следующие элементы:

• излучатель. В него входят корпус, сам излучатель, подстроечный элемент, генератор и индикатор движения;
• приемник. Состоит из основной части, фотодиода, подстроечного элемента, электронного ключа, триггера, демодулятора и индикатора.

Индикатор рабочего состояния позволяет регулировать чувствительность оптического устройства. С его помощью можно настроить точность восприятия объектов, находящихся на неблагоприятном фоне. В качестве источников излучения выступают светодиоды.

Схема подключения

На выходе фотоэлектрического устройства установлен транзистор PNP или NPN-типа с открытым коллектором. В зависимости от типа, нагрузка распределяется между выходом и плюсовым или минусовым проводом. В изначальном состоянии ток подключен, выполняется размыкание контактов, в ином случае — замыкание.

Типы фотоэлектрических датчиков

Оптические бесконтактные устройства делятся на:

• моноблочные — излучатель и приемник сигнала являются единым целым;
• двухблочные — в них источник излучения и приемник разделены.

Также фотодатчики подразделяются на 3 типа в зависимости от принципа действия:

1. T — барьерные. В таких оптических бесконтактных устройствах излучатель и приемник расположены в отдельных корпусах, установленных на одной оси друг против друга. Они могут быть размещены на расстоянии до 100 м. Луч принимается от отдельного передатчика сигнала. Когда объект попадает в зону действия устройства, он прерывает луч. Приемник регистрирует изменения и подает сигнал на управляемое оборудование.

2. R — рефлекторные. Излучатель и приемник находятся в одном корпусе. Перед поступлением на датчик луч отражается от рефлектора ― катафота. Дальность работы устройства может достигать 8 м. Дополнительно в подобное оборудование устанавливаются поляризационные фильтры, позволяющие выявлять предметы с зеркальной или отражающей поверхностью. Оптические бесконтактные датчики этого типа широко применяются на конвейерах для подсчета количества изделий.

3. D — диффузионные. В таких бесконтактных устройствах приемник и передатчик сигнала устанавливаются в общий корпус. Луч отражается от объекта в рассеянном виде. Приемник учитывает его интенсивность и, если она достаточна, передает сигнал к действию на подключенное устройство. Для более точного определения плотности объекта и обеспечения безошибочного срабатывания используется подавление фона. Бесконтактный оптический датчик со стандартными настройками может действовать на расстоянии до 2 м. Дальность зависит от отражательных свойств предметов и может быть увеличена благодаря использованию поправочного коэффициента.

Области применения

Фотодатчики используются для подсчета предметов, их позиционирования и сортировки на автоматизированных производственных линиях. Также устройства применяются для определения наличия на поверхности объектов, надписей, стикеров, этикеток, иных меток. Оптические датчики помогают контролировать расстояние, размеры, цвет предметов, степень их прозрачности. Благодаря этому их часто используют для создания охранных и осветительных систем, реагирующих на движение.