Диагностическая система с оптическими датчиками (варианты)

Диагностическая система с оптическими датчиками (варианты)

Реферат

 

Система используется для детектирования механических деформаций, перепадов температур. Система включает перестраиваемый узкополосный источник светового излучения, генерирующий световое излучение с переменной длиной волны, направляя его в светопроводящее волокно. По длине волокна расположены отражательные датчики, например, типа решеток Брэгга. Датчики пропускают световое излучение с длиной волны, соответствующей пропускным минимумам этих датчиков и изменяющейся под влиянием действующего на них возмущения. Контур перестройки длины волны управляет перестраиваемым источником света, обеспечивая сканирование генерируемого светового излучения в заранее определенной области длин волн с целью индивидуального освещения каждого датчика светом с длиной волны, соответствующей его пропускному минимуму. Мощность этого пропускаемого датчиками светового излучения преобразуется детектором в электрический сигнал, который обрабатывается контуром обработки сигналов. Контур обработки сигналов выявляет провалы профиля мощности светового, излучения, воспринятого детектором, вырабатывает выходные сигналы, несущие информацию о параметрах возмущения, действующего на каждый датчик. Система может быть разомкнутой без обратной связи для измерения статических деформаций или замкнутой с обратной связью для отслеживания изменения статических деформаций и измерения динамических деформаций. Система может также применяться по схеме Фабри-Перо, обеспечивая при этом очень высокую чувствительность к деформациям. Система может переключаться на работу в режиме отражения или режиме пропускания светового излучения датчиками. 3 с. и 26 з.п.ф-лы, 6 ил.

Известно, что для детектирования таких возмущений, как механическая деформация или перепад температуры, могут использоваться решетки Брэгга, встроенные в светопроводящие волокна в точках измерений. Технические решения такого рода описаны в патентах США N 4,806,012 и 4,761,073 (Мелтц и др.). Датчик типа волоконно-оптической решетки представляет собой часть сердечника оптического волокна, в котором нарезана решетка с заданной геометрией, обеспечивающей отражение решеткой светового излучения с узкой областью длин волн, возбужденного в этом сердечнике. Спектральные сдвиги, возникающие при отражении возбужденного светового излучения и соотнесенные с длинами волн генерируемого светового излучения, характеризуют интенсивность деформаций или перепадов температуры в точках расположения решеток. В настоящее время известно, что сдвиг профиля длин волн (спектра), характеризующего отражательную (или пропускную) способность решеток, находится в функциональной зависимости от внешнего возмущения, приложенного к области расположения решетки. Вместе с тем, системы, реализующие на практике возможности таких волоконно-оптических решеток Брэгга, еще не рассматривались.

Таким образом, существует потребность в разработке системы, измеряющей спектральный сдвиг на волоконно-оптических решетках Брэгга, обусловленный статическими или динамическими деформациями, акустическими возмущениями или возмущениями иного рода.

Заявка GB-A-2 145 237, как указано в ограничительной части пункта 1 формулы, описывает оптическую систему, усиливающую сдвиг длины волны, соответствующей пикам пропускания интерферометра Фабри-Перо. Перестраиваемый лазер генерирует световое излучение в соответствии с управляющим сигналом перестройки длины волны. Это световое излучение направляется в светопроводящее волокно. Из генерируемого лазером светового излучения выделяется некоторая часть спектра, которая используется для получения опорного сигнала. Световое излучение остальной части спектра проходит через светопроводящее волокно, по длине которого расположено несколько пар интерферометров Фабри-Перо, работающих попарно и выполняющих функции датчиков энергетического состояния.

Заявка EP-A-0 438 757, как указано в ограничительной части пункта 10 формулы, описывает оптическую сенсорную систему, в которой для сканирования средней частоты излучения лазера используется оптическая решетка. Эта оптическая решетка переходит в светопроводящее волокно. Для измерения напряжений в различных точках по длине этого волокна, в этих точках установлено несколько решеток. Оптические сигналы, отражаемые этими решетками, регистрируются и отображаются на мониторе.

Сущность изобретения Задачей настоящего изобретения является создание диагностической системы, сопрягаемой с исследуемой конструкцией посредством светопроводящих волокон со встроенными в них оптическими датчиками и предназначенной для определения статических и динамических возмущений.

В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения заявляется диагностическая система с оптическими датчиками, содержащая перестраиваемый источник, генерирующий световое излучение с длиной волны, перестраиваемой в соответствии с управляющим сигналом перестройки длины волны, направляемое в световод, по крайней мере, один оптический датчик, расположенный на пути этого светового излучения, каждый из которых выполнен с возможностью пропускания светового излучения с длиной волны, соответствующей собственному пропускному минимуму и изменяющейся в зависимости от воздействующего на датчик возмущения, при этом перестраиваемый источник светового излучения предназначен для генерирования светового излучения с длиной волны, равной длине волны пропускного минимума каждого из датчиков для индивидуального освещения каждого датчика, оптический вентиль, установленный на пути распространения светового излучения с перестраиваемой длиной волны между перестраиваемым источником светового излучения и датчиками для изолирования источника светового излучения от светового излучения, отражаемого датчиками, оптический детектор, расположенный на пути распространения светового излучения, пропускаемого каждым из датчиков, и предназначенный для регистрации пропускаемого светового излучения и выработки электрического сигнала, несущего информацию об интенсивности этого светового излучения, контур перестройки длины волны, вырабатывающий сигнал переменного напряжения, задающий желательное значение длины волны излучаемого света, и посылающий этот сигнал в перестраиваемый источник светового излучения, контур обработки сигналов, принимающий электрический сигнал от оптического детектора, отличающаяся тем, что контур обработки сигналов выполнен с обеспечением выявления сдвига длины волны пропускного минимума датчика, вызванного воздействием упомянутого возмущения, и выработки сигнала, несущего информацию о параметрах этого возмущения на каждом из датчиков, а контур перестройки длины волны включает в себя логическую схему слежения, принимающую электрический сигнал от оптического детектора и использующую его для регулирования управляющего сигнала перестройки длины волны, при котором длина волны светового излучения подстраивается к пропускному минимуму каждого из датчиков и перестраивается путем отслеживания статических сдвигов этих пропускных минимумов.

В соответствии со вторым аспектом настоящего изобретения заявляется диагностическая система с оптическими датчиками, содержащая перестраиваемый источник, генерирующий световое излучение с длиной волны, перестраиваемой в соответствии с управляющим сигналом перестройки длины волны, направляемое в световод, по крайней мере, один оптический датчик, расположенный на пути светового излучения, каждый из которых отражает световое излучение с длиной волны, соответствующей локальному отражательному максимуму и изменяющейся в зависимости от воздействующего на датчик возмущения, при этом перестраиваемый источник светового излучения предназначен для генерирования светового излучения с длиной волны, равной длине волны локального отражательного максимума каждого из датчиков для индивидуального освещения каждого датчика, оптический вентиль, установленный на пути распространения светового излучения с перестраиваемой длиной волны между перестраиваемым источником светового излучения и датчиками для изолирования источника светового излучения от светового излучения, отражаемого упомянутыми датчиками, оптический детектор, расположенный на пути распространения светового излучения, отражаемого каждым из датчиков, и предназначенный для регистрации отражаемого светового излучения и выработки электрического сигнала, несущего информацию об интенсивности этого отражаемого светового излучения, контур перестройки длины волны, вырабатывающий сигнал переменного напряжения, задающий желательное значение длины волны излучаемого света, и посылающий этот сигнал в перестраиваемый источник светового излучения, контур обработки сигналов, принимающий электрический сигнал от оптического детектора, при этом контур обработки сигналов выполнен с обеспечением выявления сдвига длины волны отражательного максимума датчика, вызванного воздействием упомянутого возмущения, и выработки сигнала, несущего информацию о параметрах этого возмущения, а контур перестройки длины волны включает в себя логическую схему слежения, принимающую электрический сигнал от оптического детектора и использующую его для регулирования управляющего сигнала перестройки длины волны, при котором длина волны светового излучения подстраивается к отражательному максимуму каждого из датчиков и перестраивается путем отслеживания статических сдвигов этих отражательных максимумов.

В соответствии с третьим аспектом настоящего изобретения заявляется диагностическая система с оптическими датчиками, содержащая перестраиваемый источник, генерирующий световое излучение с длиной волны, перестраиваемой в соответствии с управляющим сигналом перестройки длины волны, направляемое в световод, и имеющий передний отражатель светового излучения с переменной длиной волны, являющийся одной границей резонатора источника, по крайней мере, один оптический датчик, расположенный на пути светового излучения, каждый из которых характеризуется длиной волны, соответствующей его отражательному максимуму и изменяющейся в зависимости от воздействующего на этот датчик возмущения, при этом каждый датчик выполнен как отражатель в примыкающем к нему связанном резонаторе, ограниченном передним отражателем источника светового излучения и этим датчиком, при этом усиливаемое связанным резонатором световое излучение имеет на выходе из него длину волны, соответствующую отражательному максимуму датчика, ограничивающего этот резонатор, а воздействие возмущения расстраивает связанный резонатор с соответственным изменением интенсивности светового излучения на выходе из него, при этом перестраиваемый источник светового излучения выполнен с обеспечением индивидуального освещения каждого датчика световым излучением с длиной волны, соответствующей отражательному максимуму соответствующего датчика. Система содержит также оптический детектор, расположенный на пути распространения выходящего из связанного резонатора светового излучения и предназначенный для регистрации светового излучения, выходящего из каждого связанного резонатора, ограниченного с одной стороны одним из датчиков, а с другой - передним отражателем источника, а также для выработки электрического сигнала, несущего информацию об интенсивности этого светового излучения на выходе из связанных резонаторов, контур перестройки длины волны, вырабатывающий сигнал переменного напряжения, задающий желательное значение длины волны излучаемого света, и посылающий этот сигнал в перестраиваемый источник светового излучения, контур обработки сигналов, принимающий электрический сигнал от оптического детектора, при этом контур обработки сигналов выполнен с обеспечением выявления сдвига длины волны отражательного максимума, вызванного воздействием упомянутого возмущения, и выработки сигнала, несущего информацию о параметрах этого возмущения на каждом из датчиков.

Объектом изобретения является диагностическая система, работающая в сопряжении с удаленными волоконно-оптическими датчиками типа решеток Брэгга, измеряющая статические, динамические деформации и/или акустико-колебательные возмущения конструкции в целом или ее элементов. Такая система может быть реально воплощена в технике и найти применение на практике. Удаленные датчики могут располагаться снаружи на конструкциях, выполненных из металла, пластиков, композиционных или любых других материалов, подверженных расширению, сжатию или вибрациям. Датчики могут быть встроенными в такие конструкции. Кроме того, в предложенной системе используется лазер на полупроводниковом диоде с плавной перестройкой длины волны светового излучения, которое усиливается во внешнем резонаторе, регулируемом посредством волоконно-оптической решетки. Замысел изобретения предусматривает индивидуальное освещение каждого датчика, благодаря чему вся мощность излучаемого света концентрируется на некоторой фиксированной длине волны или в узкой области длин волн. По этой причине световое излучение, отражаемое или пропускаемое каждой решеткой, отличается высокой интенсивностью, в результате чего отношение "сигнал/шум" такого отражаемого или пропускаемого светового излучения значительно превышает аналогичный показатель тех систем, в которых датчики освещаются источником широкополосного светового излучения одновременно.

Еще одной особенностью изобретения является возможность переключения системы в различные схемы, реализующего различные режимы диагностики. Предложенная диагностическая система в различных вариантах выполнения способна определять сдвиг длины волны в режиме пропускания светового излучения (с обратной связью и без нее), а также в режиме отражения. Кроме того, для определения параметров возмущений, действующих в пределах различных участков по длине световода, предложенная диагностическая система может применяться в схеме Фабри-Перо со связанными резонаторами.

Изложенные выше и другие задачи, отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения рассматриваются более конкретно в нижеследующем подробном описании типовых вариантов его осуществления, сопровождаемом следующими фигурами чертежей.

Перечень фигур чертежей Фиг. 1 - структурная схема первого варианта предложенной диагностической системы с волоконно-оптическими датчиками, способной определять статические деформации.

Фиг. 2 - последовательно расположенные три графика (a, b, c), отображающие, в соответствии с настоящим изобретением, изменение по времени напряжения V_t, подаваемого в контур перестройки длины волны и длины волны _s генерируемого светового излучения, а также профиль мощности сигнала, выдаваемого оптическим детектором, как функции и времени, и длины волны.

Фиг. 3 - структурная схема контура перестройки длины волны, показанного на фиг. 1, в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг. 4 - график, отображающий, в соответствии с настоящим изобретением, профиль мощности сигнала интенсивности, пропускаемого датчиком-решеткой светового излучения.

Фиг. 5 - график, отображающий, в соответствии с настоящим изобретением, профиль мощности сигнала интенсивности светового излучения, пропускаемого датчиком, входной сигнал динамической деформации, сигнал модуляции, а также модулированный по амплитуде выходной сигнал деформации, определенной датчиком.

Фиг. 6 - структурная схема предложенной диагностической системы с волоконно-оптическими датчиками, работающей в режиме отражения и следящей за сдвигами длины волны отражательного максимума датчиков типа решеток Брэгга.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения Как видно на фиг. 1, перестраиваемый узкополосный источник света 9 включает в себя лазерный диод 10, например, типа LTO-15-MDO производства корпорации "Sharp". Лазерный диод 10 имеет заднюю грань 12 и переднюю грань 14, которые обычно служат границами резонатора лазерного диода. На переднюю грань 14 нанесено просветляющее покрытие, которое сводит к минимуму отражение света внутрь резонатора лазерного диода, когда генерируемое световое излучение 15 проходит через переднюю грань 14 (это подробно рассматривается ниже). Контур 16 регулятора тока выдает по линии 18 на лазерный диод 10 сигнал, регулирующий интенсивность светового излучения 15 на выходе лазера. Регулирование электрического тока в диоде также незначительно влияет на длину волны излучаемого света и это влияние с точки зрения функционирования рассматриваемой системы не имеет существенного значения. Кроме того, контур 20 стабилизации температуры вырабатывает сигнал напряжения, поступающий по линии 22 в термоэлектрический охлаждающий аппарат 24, стабилизирующий температуру лазерного диода 10 и тем самым стабилизирующий среднюю частоту светового излучения 15, генерируемого лазером. При необходимости для регулирования температуры могут использоваться и другие устройства.

Лазерный диод 10 генерирует расходящийся световой пучок 15, который поступает на фокусирующую линзу 28, после прохождения которой сфокусированный свет попадает в светопроводящее волокно 32. Вместо линзы 28 для фокусирования света может использоваться система линз. Световое излучение 30 распространяется по волокну 32 до волоконно-оптической решетки 34, например, решетки Брэгга, которая отражает определенную, заранее известную, часть светового излучения 33 с узкой областью длин волн и пропускает свет остальной части спектра, а также пропускает другую определенную, заранее известную, часть светового излучения с узкой областью длин волн, обозначенную стрелкой 35.

Ввиду того, что передняя грань 14 имеет вышеупомянутое просветляющее покрытие и свободно пропускает световое излучение, задняя грань 12 совместно с волоконно-оптической решеткой 34 образуют удлиненный резонатор лазерного диода 10. К волоконно-оптической решетке 34 прикреплен пьезоэлектрический сервоэлемент 36 (или исполнительный перестраивающий элемент), сжимающийся или расширяющийся в направлении, обозначенном стрелками 38, в зависимости от переменного сигнала напряжения, поступающего по линии 40 из контура 42 перестройки длины волны (принцип перестройки длины волны рассматривается ниже). Контур 42 перестройки длины волны вырабатывает сигнал, изменяющий шаг решетки, а также ее коэффициент отражения, вследствие чего изменяется средняя длина волны отражаемого решеткой светового излучения. Таким образом, исполнительный перестраивающий элемент 36, управляемый контуром 42 перестройки длины волны, растягивает и сужает промежутки между штрихами волоконно-оптической решетки, изменяя тем самым длину волны генерируемого лазером светового излучения, усиливаемого задней гранью 12 и решеткой 34 резонатора, действующими как зеркала. Так как в лазерном диоде происходит усиление излучения, наибольшую мощность имеет излучение с длиной волны, равной длине волны отражаемого светового излучения 33. Таким образом, длина волны генерируемого лазером светового излучения 35 с узкой областью длин волн изменяется в функциональной зависимости от сигнала, поступающего по линии 40 в исполнительный перестраивающий элемент 36.

Световое излучение 35 проходит по волокну 32 в оптический переключатель 46, который, находясь в положении 1, соединяет волокно 32 с оптическим вентилем 48. Выход оптического вентиля 48 соединен с другим оптическим переключателем 50, который, находясь в положении 1, соединяет оптический вентиль 48 со светопроводящим волокном 52. В другом варианте выполнения в качестве оптических переключателей могут использоваться коммутационные шнуры, соединяемые вручную.

Световое излучение 44 проходит по волокну 52 в волоконно-оптическую решетку 54, которая отражает световое излучение 55 с определенной, заранее известной, узкой областью длин волн и пропускает световое излучение 56 остальной части спектра. Далее световое излучение 56 распространяется до следующей волоконно-оптической решетки 58, отражающей световое излучение со средней длиной волны, отличной от длины волны светового излучения, отражаемого волоконно-оптической решеткой 54. Решетка 58 отражает световое излучение 59 с узкой областью длин волн и пропускает по линии 60 световое излучение остальной части спектра.

Волокно 52 и волоконно-оптические решетки 54 и 58 могут присоединяться к конструкции 62, являющейся объектом контроля, с целью фиксации таких возмущений, как динамические или статические деформации и/или перепады температуры, или встраиваться в нее. Такая конструкция может быть выполнена из металла, пластмассы, композиционного или любого другого материала, а волоконно-оптические датчики могут устанавливаться как на поверхности этой конструкции, так и внутри нее. Несмотря на то, что на фиг. 1 показаны только две решетки 54 и 58, следует учитывать, что число решеток, расположенных вдоль волокна 52, может быть любым.

Световое излучение 60 выходит из решетки 58 и распространяется по волокну 52 до оптического детектора 64. Оптический детектор 64 вырабатывает электрический сигнал, несущий информацию о мощности падающего на него светового излучения и посылаемый по линии 66 в контур 68 управления с обратной связью.

По линии 66 этот электрический сигнал поступает на вход электрического переключателя 72, имеющего на выходе положения "разомкнутая система" (OL) и "замкнутая система" (CL). Выход "замкнутая система" переключателя 72 соединен линией 74 с контуром 42 перестройки длины волны, а также с асинхронным демодулятором. Демодулятор 76 выдает сигнал демодуляции по линии 78 в процессор 80 обработки сигналов в режиме измерения с обратной связью. Сигнал на выходе "разомкнутая система" переключателя 72 поступает по линии 82 в процессор 84 обработки сигналов в режиме измерения без обратной связи.

Структура процессоров 80 и 84 обработки сигналов (подробно рассматриваемые ниже) анализируют поступающие электрические сигналы и выдают в линии, соответственно, 86 и 88 набор электрических сигналов, несущих информацию о значениях деформаций, измеряемых датчиками, которые установлены в конструкции 62. Следует учесть, что может также использоваться единственная линия передачи сигналов с временным мультиплексированием или последовательной передачей цифровых данных, выдаваемых каждым датчиком.

Кроме того, контур 42 перестройки длины волны выдает в процессоры 80, 84 обработки сигналов по линии 90 сигнал синхронизации, а по линии 40 - управляющий сигнал перестройки длины волны.

Когда система разомкнута, т.е. работает в режиме измерения статических деформаций без обратной связи, оптические переключатели 46, 50 находятся в положении 1, переключатель 72 находится в положении "разомкнутая система", а логические схемы контура 42 перестройки длины волны и процессора 84 обработки сигналов работают следующим образом.

Как показано на фиг. 2 и 3, в контур 42 перестройки длины волны (фиг. 1) входит генератор функций 94 (фиг. 3), который выдает сигнал напряжения V_t по линии 96 на переключатель 98. При этом переключатель 98 находится в положении "разомкнутая система", соединяя генератор функций 94 с линией 40, ведущей к исполнительному перестраивающему элементу 36. Генератор функций 94 формирует пилообразное напряжение V_t с периодом T, как показано на графике (a) фиг. 2. Напряжение V_t непосредственно управляет расширением и сжатием исполнительного перестраивающего элемента 36 (фиг. 1), в результате чего длина волны _s генерируемого светового излучения 35 изменяется по пилообразному периодическому закону, пропорционально приложенному напряжению V_t, что видно из графика (b) фиг. 2. Таким образом, длина волны _s светового излучения 35 линейно изменяется от значения ₁ до значения ₂, причем средняя, или пиковая, длина волны _a светового излучения, отражаемого датчиком 54, а также средняя длина волны _b светового излучения, отражаемого датчиком 58, находятся в пределах значений ₁ и ₂. В результате сканирования спектра длин волн оптическим детектором 64 на вход оптического детектора 64 поступает оптический сигнал 60 с профилем, показанным на графике (c) фиг. 2. На выходе оптического детектора 64 формируется электрический сигнал с подобным профилем. В частности, посылаемый по линии 66 электрический сигнал обратной связи характеризуется резкими провалами интенсивности излучения в областях спектра, соответствующих средней длине волны _a светового излучения, отражаемого датчиком 54, и средней длине волны _b светового излучения, отражаемого датчиком 58.

В разомкнутой системе (в режиме работы системы без обратной связи) процессор 84 обработки сигналов определяет величину статической деформации путем определения значения длины волны, которому соответствует провал мощности сигнала, измерения разности значений этой длины волны и длины волны, свойственной недеформированной решетке, а также определения значения статической деформации на основе известного соотношения между разностью длин волн и разностью деформаций. Значение длины волны светового излучения, генерируемого лазером, определяется процессором 84 обработки сигналов путем отслеживания сигнала, поступающего по линии 40 из контура 42 перестройки длины волны. Сигнал, вырабатываемый контуром 42 перестройки длины волны и посылаемый по линии 40, несет информацию о текущей длине волны на выходе лазера благодаря тому, что длина волны излучаемого света 44 прямо пропорциональна этому сигналу.

В другом варианте, в начале каждого периода линейного роста сигнала напряжения (или периода сканирования спектра), проходящего из контура перестройки длины волны по линии 40, в процессор 84 обработки сигналов по линии 90 подается сигнал синхронизации, задающий для контура обработки сигналов точку отсчета времени работы системы. Поскольку управляющий сигнал перестройки длины волны несет информацию о частоте сканирования спектра, значение длины волны, соответствующее провалу мощности сигнала, может вычисляться и отслеживаться в любой момент при фиксации изменения деформации заданным датчиком.

Еще один вариант системы предусматривает вместо подачи в контур обработки сигналов управляющего сигнала перестройки длины волны по линии 40 или сигнала синхронизации - по линии 90 использование дополнительной недеформируемой или не подверженной возмущениям эталонной решетки (которая на фиг. 1 не показана), отражающей световое излучение с постоянной средней длиной волны _ref, являющейся опорной длиной волны. Заранее определенная частота сканирования спектра и эта опорная длина волны представляют собой информацию, достаточную для синхронизации работы контура обработки сигналов с моментом начала каждого нового периода сканирования спектра. Для определения привязанного к каждому конкретному датчику значения длины волны, соответствующего провалу мощности сигнала, могут использоваться и другие способы.

Для измерения динамических деформаций система, схема которой показана на фиг. 1, может быть замкнутой, т.е. работать в режиме измерения с обратной связью. В этом случае переключатель 72 устанавливается в положение "замкнутая система", а контур 42 перестройки длины волны и процессор 80 обработки сигналов функционируют, как описывается ниже.

Как показано на фиг. 3, электрический сигнал обратной связи, вырабатываемый оптическим детектором 64, поступает по линии 74 на переключатель 100, имеющий выходы "слежение" и "поиск". Когда активизирован режим поиска, переключатель 100 находится в положении "поиск", и сигнал обратной связи поступает по линии 102 в логическую схему поиска 104, состоящую из таких стандартных электронных элементов, как операционные усилители и транзисторы. В логической схеме поиска 104 вырабатывается пилообразный сигнал напряжения, подобный показанному на графике (a) фиг. 2 и обеспечивающий нарастание напряжения, подаваемого на исполнительный перестраивающий элемент 36 (фиг. 1), и, тем самым, увеличение длины волны света, излучаемого источником излучения 44 (фиг. 1). Логическая схема поиска 104 вырабатывает сигнал, направляемый по линии 106 в сумматор 108. В сумматоре 108 этот сигнал суммируется с сигналом, пришедшим по линии 110 из другой логической схемы (ее рассмотрение следует ниже по тексту). Результирующий сигнал поступает из сумматора 108 по линии 112 на переключатель 98 "замкнутая/разомкнутая система" (CL/OL), который в данном режиме работы системы находится в положении "замкнутая система" (CL). Пройдя переключатель 98, этот сигнал поступает в качестве управляющего сигнала по линии 40 в исполнительный перестраивающий элемент 36.

Логическая схема поиска 104 ищет в сигнале обратной связи, поступающем по линии 74, провал мощности, обозначенный, к примеру, точкой 200 на фиг. 4. Как только логическая схема поиска 104 находит такой провал мощности сигнала, она вырабатывает сигнал переключения и посылает его по линии 120 на переключатель 100 и переключатель 134, в результате чего происходит переключение контура 42 перестройки длины волны с режима поиска на режим слежения.

В режиме слежения сигнал обратной связи по линии 74 поступает через переключатель 100 в линию 122, а по ней - в логическую схему слежения 124, состоящую из таких стандартных электронных элементов, как операционные усилители и транзисторы. Логическая схема слежения 124 вырабатывает сигнал слежения, идущий по линии 126 в сумматор 128. Источник 130 переменного тока вырабатывает колебательный электрический сигнал, следующий по линии 132 на переключатель 134, а затем по линии 135 - к сумматору 128. Этот колебательный сигнал, посылаемый по линии 132, представляет собой волнообразный сигнал переменного тока с заранее определенной амплитудой и частотой (роль этого сигнала подробно рассматривается ниже). Колебательный сигнал играет роль модулируемого по амплитуде несущего сигнала (процесс амплитудной модуляции, на которой основан принцип действия логической схемы слежения 124, рассматривается ниже).

Логическая схема слежения 124 ищет колебательную составляющую сигнала обратной связи, поступающего по линии 122, и посылает по линии 40 сигнал, настраивающий длину волны светового излучения лазера на значение, соответствующее точке местного минимума мощности сигнала, обозначенной позицией 202 на фиг. 4. Это достигается использованием колебательного сигнала, поступающего по линии 132 в качестве опорного сигнала, путем анализа сигнала обратной связи, поступающего по линии 122 и его привязки к частоте колебательного сигнала. Логическая схема слежения 124 определяет величину и фазу колебательной составляющей сигнала обратной связи. Когда длина волны в системе колеблется вокруг точки 202, амплитуда колебательной составляющей равна нулю (или очень мала), что обусловлено формой спектрального профиля датчика. Частота колебательной составляющей удваивается вследствие симметричности спектрального профиля датчика в точке минимума мощности сигнала. Если статическая деформация изменяется и принимает новое значение, спектральный профиль датчика сдвигается (кривая 204 на фиг. 4), а его рабочая точка сдвигается в точку 206. В этой точке знак разности фаз колебательной составляющей сигнала обратной связи и опорного колебательного сигнала, поступающего в логическую схему слежения по линии 132, определяет для логической схемы слежения 124 направление перестройки длины волны исполнительным перестраивающим элементом 36 (фиг. 1) с целью подстройки длины волны к значению, соответствующему точке 208 (местному минимуму мощности кривой 204). Далее логическая схема слежения дает команду исполнительному перестраивающему элементу 36 на перестройку длины волны с целью приведения ее в соответствие с точкой 208, в которой мощность сигнала при частоте колебательного сигнала снова стремится к нулю.

Таким образом, логическая схема слежения 124 действует в качестве синхронного усилителя и отслеживает изменения сигнала постоянного тока в амплитудно-частотной характеристике датчика, обусловленные изменением статической деформации. Для выполнения этой функции могут применяться и другие схемы управления перестройкой длины волны при условии, что они действуют в качестве синхронного усилителя в заданной рабочей точке.

Как показано на фиг. 5, если в систему вводится низкочастотный сигнал динамической деформации (или сигнал переменного тока), с частотой, например, около 50 Гц, и амплитудой, например, порядка 50 микродеформаций, что соответствует 0,05 нм (форма такого сигнала выражена кривой 220), а статическая деформация остается постоянной (это допущение принято для лучшей наглядности) спектральный профиль датчика колеблется вокруг рабочей точки, которая может рассматриваться в качестве рабочей точки, сдвигающейся относительно обеих окружающих линий профиля датчика в направлениях, обозначенных стрелками 222. Для достижения наилучших характеристик системы амплитуду колебаний длины волны при динамических деформациях желательно ограничить шириной спектральной линии датчика по полувысоте, например, значениями 0,2 нм или 200 микродеформаций, что, однако, не исключает возможности использования больших деформаций.

Огибающая 225 результирующей волны 224 имеет частоту, вдвое превышающую частоту динамической деформации, что обусловлено формой профиля амплитудно-частотной характеристики датчика. Колебательный сигнал обозначен линией 227 и стрелками 228 в точках 226 на профиле датчика. Колебательный сигнал вызывает соответствующую амплитудную модуляцию сигнала динамической деформации, отображенную волновой линией 224.

Следует понимать, что частота и амплитуда колебательной составляющей выходного сигнала (или несущей) 224, как было рассмотрено выше, также вдвое превышает частоту колебательного сигнала из-за симметричной природы спектрального профиля датчика. Форма 224 сигнала на выходе логической схемы слежения является следствием наложения амплитуд колебаний переменного тока и сигнала динамических деформаций. Кроме того, на форму 224 выходного сигнала влияет то, работает ли система с обратной связью в точке пропускного минимума.

Колебательный сигнал переменного тока вводится в систему для имитации динамических деформаций, чтобы логическая схема слежения 124 могла отслеживать сдвиг провала в спектральном профиле датчика во время изменений статических деформаций даже при отсутствии динамических деформаций. Также для нормального слежения за изменением статической деформации амплитуда колебательного сигнала должна превышать уровень шума в системе и обычно имеет тот же порядок, что и амплитуда сигнала деформации. Кроме того, частота колебательного сигнала, к примеру, 1 кГц, должна быть настроена выше диапазона частот управляющих сигналов, вырабатываемых логической схемой слежения 124, и выше частоты измеряемого переменного сигнала динамической деформации.

Как видно на фиг. 1, когда система замкнута, т.е. работает с обратной связью, сигнал обратной связи по линии 74 поступает в демодулятор 76, работающий на частоте колебательного сигнала. Демодулятор 76 известным способом демодулирует сигнал обратной связи, удаляя амплитудную модуляцию, вызванную введением колебательного сигнала, и выдает по линии 78 в процессор 80 обработки сигналов демодулированный переменный электрический сигнал, амплитуда которого пропорциональна величине динамической деформации, а частота вдвое превышает частоту динамической деформации. Например, демодулятор 76 может иметь полосовой фильтр с центральной частотой, соответствующей частоте колебательного сигнала, пропускающий боковые полосы амплитудной модуляции, а также двухполупериодный выпрямитель и низкочастотный фильтр.

Логическая схема процессора 80 обработки сигналов обнаруживает частоту и амплит