Волоконно-оптическая сенсорная система

Волоконно-оптическая сенсорная система

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к оптико-электронному приборостроению и может быть использовано в конструкциях волоконно-оптических преобразователей физических величин, предусматривающих интерференционный съем измеряемого сигнала. Наиболее эффективно его использовать в конструкции приборов микротехнологического исполнения, особенно микроминиатюрных приемников звуковых сигналов (микрофонов, гидрофонов, виброфонов, фонендоскопов и т.п.).

Известна волоконно-оптическая сенсорная система, содержащая широкополосный источник излучения, волоконный световод (ВС), выполненный с образованием измерительного и эталонного оптических каналов, поляризационный датчик межмодовой интерференции, фотоприемник, подключенный к блоку обработки и отображения информации, сканирующий деформатор, установленный на ВС, и блок управления сканирующим деформатором (RU 2036419, G 01 B 21/00, 1995). Для использования в качестве микрофона волоконно-оптическая сенсорная система содержит мембранный чувствительный элемент, на внутренней поверхности которого по спирали расположен волоконно-оптический световод, к одному концу которого через фокусирующую линзу подключен источник монохроматического излучения, а к другому - фотоприемник (RU 2047944, H 04 R 23/00, 1995).

Однако данные конструкции являются громоздкими и обладают низкой чувствительностью из-за съема информации в виде изменения амплитуды используемого информационного сигнала.

Среди специализированных волоконно-оптических сенсорных систем известна конструкция, предназначенная для измерения температуры, содержащая, совместно выполненные на базе волоконно-оптического лазера (ВОЛ), каналы возбуждения и интерференционного съема информации, микрорезонатор, модулирующий излучение ВОЛ, фотоприемник и блок обработки и отображения информации (RU 2110049, G 01 K 11/32, G 02 B 6/00, 1998). Для повышения чувствительности, точности и стабильности системы один конец световода ВОЛ сопряжен с модифицированным автоколлиматором, расположенным между этим торцом и микрорезонатором с формированием в плоскости отражающей поверхности микрорезонатора светового пятна заданных размеров, а второй является выходным (RU 2161783, G 01 K 11/32, 2001).

Однако данные технические решения сложны в изготовлении и эксплуатации, так как требуют регулярной юстировки узлов микрорезонатора и коллиматора. Кроме того, они имеют преимущественной сферой использования измерение температуры.

Известна также волоконно-оптическая сенсорная система для измерения перемещений, содержащая источник оптического излучения, интерферометрический сенсор микроперемещений, волоконно-оптический разветвитель, выполненный из одномодовых оптических волокон, фотоприемник, оснащенный полосовым светофильтром, управляющее устройство и пьезоэлектрический исполнительный механизм, установленный с возможностью перемещения интерферометрического сенсора, где выход источника оптического излучения подключен к первому входу волоконно-оптического разветвителя, второй вход волоконно-оптического разветвителя подключен к интерферометрическому сенсору для возможности передачи света от источника оптического излучения и приема оптического интерференционного сигнала от сенсора, выход волоконно-оптического разветвителя подключен к фотоприемнику, выход фотоприемника подключен ко входу управляющего устройства, а выход управляющего устройства подключен к электрическому входу пьезоэлектрического исполнительного механизма (Davis P.G., Busch I.J., Maurer G.S. Fiber Optic Displacement Sensor. - Fourth Pacific Northwest Optic Sensor Workshop, May 6, 1998 SPIE VOL TBD Courtesy Optiphase, Inc.).

Недостатком данного устройства является громоздкость узла перемещения интерферометрического сенсора и узкий динамический диапазон (не более 200 мкм) измеряемых микроперемещений.

Наиболее близкой к заявляемой является волоконно-оптическая сенсорная система, содержащая источник оптического излучения с длиной когерентности 80÷120 мкм, интерферометрический сенсор, оснащенный чувствительной мембраной, волоконно-оптический разветвитель, выполненный из одномодовых оптических волокон, фотодетектор и усилитель электрического сигнала, где выход источника оптического излучения подключен к первому входу волоконно-оптического разветвителя, второй вход волоконно-оптического разветвителя подключен к интерферометрическому сенсору для возможности передачи света от источника оптического излучения и приема оптического интерференционного сигнала от сенсора, выход волоконно-оптического разветвителя связан с оптическим входом фотодетектора, а выход фотодетектора подключен к входу усилителя электрического сигнала. Для автоподстройки положения рабочей точки волоконно-оптическая сенсорная система оснащена также двухканальным интерферометрическим преобразователем опорного сигнала, при этом усилитель электрического сигнала связан с входами первого и второго каналов интерферометрического преобразователя, а оптический выход интерферометрического преобразователя выполнен с образованием оптической обратной связи данного преобразователя с интерферометрическим сенсором (US 5094534, G 01 B 9/02, 1992).

Однако прототипное устройство обладает узким частотным диапазоном чувствительности, недостаточным, в частности, для работы в качестве микрофона, что усугубляется инерционностью элементов двухканального интерферометрического преобразователя. Кроме того, оно является громоздким и сложным в изготовлении и эксплуатации, требует тщательной начальной и периодической юстировки оптических каналов.

Технической задачей предлагаемого устройства является упрощение и миниатюризация конструкции, а также расширение частотного диапазона чувствительности.

Решение указанной технической задачи заключается в том, что в конструкции волоконно-оптической сенсорной системы, содержащей источник оптического излучения, интерферометрический сенсор, оснащенный чувствительной мембраной, волоконно-оптический разветвитель, выполненный из одномодовых оптических волокон, фотодетектор и усилитель электрического сигнала, где выход источника оптического излучения подключен к первому входу волоконно-оптического разветвителя, второй вход волоконно-оптического разветвителя подключен к интерферометрическому сенсору для возможности передачи света от источника оптического излучения и приема оптического интерференционного сигнала от сенсора, выход волоконно-оптического разветвителя связан с оптическим входом фотодетектора, а выход фотодетектора подключен к входу усилителя электрического сигнала, вносится следующее изменение: в качестве источника оптического излучения использован лазер.

Использование лазера в данной конструкции необходимо для расширения диапазона "видности" интерференционной картины за счет увеличения длины когерентности излучения (не менее, чем в 4 раза по сравнению с прототипом). Этот вывод можно обосновать анализом общеизвестной формулы

где l_ког - длина когерентности источника излучения, мкм;

l - расстояние от торца оптического волокна второго входа волоконно-оптического разветвителя до светоотражающей поверхности мембраны интерферометрического сенсора (мкм).

Из неравенства (1) можно заключить, что

т.е. "зона видности" тем больше, чем больше длина когерентности источника излучения. Увеличение "зоны видности" приводит к расширению диапазона принимаемых перемещений чувствительной мембраны, т.е. к отсутствию необходимости стабилизировать положение рабочей точки на статической характеристике системы. Это позволяет при необходимости упростить систему за счет изъятия входившего в конструкцию прототипа контура автоподстройки. Данный вариант (п.1 формулы) в дальнейшем называется минимальным. При его технической реализации расстояние l настраивают из условия четкости интерференционной картины на выходе фотодетектора.

Оптимальное значение параметра l (вариант по п.2 формулы) наблюдается при условии

где λ - длина волны оптического излучения, мкм;

n - нечетное число из экспериментально установленного интервала [1001÷3001].

Далее под настройкой положения рабочей точки системы понимается конкретное значение l.

Формула (3) удобна для юстировки положения соответствующего торца оптического волокна относительно мембраны с помощью системы прецизионного позиционирования. Она может использоваться также для проверки оптимальности настройки варианта по п.1.

Достигнутое увеличение "зоны видности" обеспечивает, при необходимости, данной системе возможность приема звуковых сигналов, т.е. работы в качестве микрофона. В этом случае в ней используют усилитель электрических сигналов и мембрану интерферометрического сенсора, чувствительные в звуковом диапазоне частот (вариант по п.3 формулы). Для работы в составе конструкции такого микрофона целесообразно использовать сенсор с чувствительностью мембраны не менее 0,1 нм/Па в данном диапазоне частот.

В предлагаемой системе может быть использован лазер любого конструктивного исполнения, например, газовый или твердотельный. Наиболее целесообразно использовать полупроводниковый лазерный источник оптического излучения с электрическим питанием от стабилизатора тока, что позволяет миниатюризировать конструкцию и уменьшить ее энергопотребление. Данный вариант конструкции может дополнительно содержать контур прецизионного регулирования положения рабочей точки с управляющим воздействием на температуру лазера по статической составляющей сигнала обратной связи от фотодетектора (п.4 формулы). Этот вариант целесообразно использовать в условиях действия на сенсор интенсивных помех (температуры, давления, вибрации и др.), вызывающих смещение положения рабочей точки системы. В качестве терморегулирующего органа в контуре прецизионного регулирования положения рабочей точки целесообразно использовать элемент Пельтье (п.5 формулы), что дает возможность работать как в режиме нагрева лазера, так и его охлаждения.

Принцип действия вариантов по пп.4 и 5 формулы основан на впервые использованной авторами зависимости длины волны излучения полупроводникового лазера от температуры данного источника оптического излучения для регулирования положения рабочей точки на статической характеристике системы.

На фиг.1 приведен минимальный вариант волоконно-оптической сенсорной системы; на фиг.2 приведен вариант системы с регулированием положения рабочей точки; на фиг.3 представлена амплитудно-частотная характеристика микрофона, изготовленного на базе предлагаемой волоконно-оптической сенсорной системы.

В таблице указаны значения технических характеристик образцов минимального варианта системы.

Волоконно-оптическая сенсорная система (фиг.1) содержит лазерный источник 1 оптического излучения, интерферометрический сенсор 2, оснащенный чувствительной мембраной 3, волоконно-оптический разветвитель 4, выполненный из одномодовых оптических волокон, фотодетектор 5 и усилитель 6 электрического сигнала. Выход источника 1 оптического излучения подключен к первому входу волоконно-оптического разветвителя 4, второй вход волоконно-оптического разветвителя 4 подключен к интерферометрическому сенсору 2 с возможностью передачи света от источника 1 оптического излучения и приема оптического интерференционного сигнала от сенсора 2. Выход волоконно-оптического разветвителя 4 связан с оптическим входом фотодетектора 5, а выход фотодетектора 5 подключен к усилителю 6 электрического сигнала. В зависимости от назначения системы к выходу усилителя 6 подключено соответствующее регистрирующее устройство 7 (осциллограф, компьютер, световой индикатор, динамик и т.д.). Расстояние l от выходного торца оптического волокна до мембраны 3 сенсора 2 установлено по интерференционной картине или с помощью микропозиционера в соответствии с формулами (2) и (3).

Лазерное излучение от источника 1, пройдя через разветвитель 4, поступает на интерферометрический сенсор 2. Часть этого излучения отражается от выходного торца оптического волокна, а другая часть излучения проходит расстояние l, и, отразившись от мембраны 3 сенсора 2, поступает в обратном направлении в указанный торец того же оптического волокна. В связи с тем, что установочное значение l не превышает 0,5l_ког, указанные световые потоки складываются когерентно, формируя таким образом интерференционную картину, которая с выхода разветвителя 4 поступает на фотодетектор 5, с которого принимается усилителем 6 электрического сигнала и поступает с выхода последнего на блок регистрации 7.

Результаты испытания минимальных вариантов целевых конструкций с источниками оптического излучения при длине волны λ=1,55 и 1,30 мкм представлены в табл.1. Как видно из таблицы, пороговая чувствительность образцов волоконно-оптической сенсорной системы максимальна при установке торца оптического волокна в сенсоре 2 на оптимальном расстоянии от мембраны 3, определяемом формулой (3), а именно l=0,125λn при нечетном значении n в диапазоне [1001÷3001]. В этом случае пороговая чувствительность составляет 0,008÷0,01 нм при λ=1,55 мкм и 0,005÷0,006 нм при λ=1,30 мкм. При выходе за указанный диапазон изменения n чувствительность системы уменьшается за счет потери контраста интерференционной картины. При четных значениях n система нечувствительна из-за попадания рабочей точки на нечувствительный участок косинусоидальной интерференционной зависимости выходного сигнала системы от значения l.

В варианте микрофона (п.3 формулы) различают статическую и динамическую характеристики волоконно-оптической сенсорной системы. Статическая характеристика представляет собой установившееся значение сигнала на выходе фотодетектора в зависимости от положения рабочей точки при отсутствии помехи. Динамическая характеристика формируется в результате действия принимаемого звукового сигнала и зависит от амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) мембраны сенсора. На фиг.3 приведена экспериментально отснятая АЧХ волоконно-оптической сенсорной системы с длиной волны λ=1,55 мкм излучения полупроводникового лазера 1 мощностью 2 мВт и образцом мембраны сенсора 3 чувствительностью 1,5 нм/Па. АЧХ такой системы в звуковом диапазоне частот является равномерной. Ее неравномерность не превышает 3 дБ при среднем значении АЧХ, равном 135 дБ.

Оптимальный вариант системы, оснащенной полупроводниковым лазерным источником 1 оптического излучения с электрическим питанием от стабилизатора тока, дополнительно содержит контур 8 прецизионного регулирования положения рабочей точки с управляющим воздействием на температуру лазера по статической составляющей сигнала обратной связи от фотодетектора, включающий автоматический регулятор 9 с исполнительным механизмом и регулирующий орган 10 (фиг.2, пункт 4 формулы). Вход регулятора 9 связан с выходом фотодетектора 5 непосредственно, как показано на фиг.2, или через усилитель 6, выход регулятора 9 связан с помощью входящего в его структуру исполнительного механизма с терморегулирующим органом 10, установленным с возможностью изменения температуры лазера 1. Изменение температуры лазера 1 приводит к изменению длины волны λ его излучения относительно номинала для компенсации отклонения рабочей точки под действием внешней помехи на сенсор 2.

В качестве терморегулирующего органа 10 может использоваться соответствующий нагреватель, например, выполненный в виде нихромовой спирали. Возможно также включение элемента 10 в цепь задатчика стабилизатора тока, питающего лазер 1. Наиболее целесообразно в терморегулирующем органе 10 использовать элемент Пельтье (п.5 формулы). Это дает возможность работать как в режиме нагрева так и охлаждения лазера, что расширяет диапазон управляющих воздействий.

Как пояснено описанием, приведенными примерами и графическим приложением, использование предлагаемой волоконно-оптической сенсорной системы по сравнению с прототипом позволяет упростить и миниатюризировать конструкцию целевого комплекса за счет одноканального исполнения контура интерферометрических измерений и изъятия громоздкого электромеханического узла автоподстройки положения рабочей точки. Кроме того, достигнуто расширение частотного диапазона чувствительности, что подтверждается АЧХ варианта работы системы в качестве микрофона. Достигнуто также обеспечение работы системы в условиях действия помех за счет впервые реализованной компенсации помехи изменением длины волны источника излучения.

Техническим результатом, производным от достигнутого, является снижение себестоимости системы за счет упрощения ее конструкции и юстировки.

1. Волоконно-оптическая сенсорная система, содержащая лазерный источник оптического излучения, интерферометрический сенсор, оснащенный чувствительной мембраной, волоконно-оптический разветвитель, выполненный из одномодовых оптических волокон, фотодетектор и усилитель электрического сигнала, в которой выход источника оптического излучения подключен к первому входу волоконно-оптического разветвителя, второй вход волоконно-оптического разветвителя подключен к интерферометрическому сенсору с возможностью передачи света от источника оптического излучения к интерферометрическому сенсору, а выход фотодетектора подключен к усилителю электрического сигнала, отличающаяся тем, что в ней использован лазерный источник с высокой когерентностью, выход волоконно-оптического разветвителя непосредственно связан с оптическим входом фотодетектора, а подключение волоконно-оптического разветвителя к интерферометрическому сенсору выполнено из расчета

l=0,125λn±0,075λ,

где l - расстояние от торца оптического волокна второго входа волоконно-оптического разветвителя до светоотражающей поверхности мембраны интерферометрического сенсора (мкм);

λ - длина волны оптического излучения, мкм;

n - нечетное число из интервала [1001-3001],

для одновременного приема оптического интерференционного сигнала от сенсора и передачи этого сигнала ко входу фотодетектора.

2. Волоконно-оптическая сенсорная система по п.1, отличающаяся тем, что в ней усилитель электрических сигналов и мембрана интерферометрического сенсора выполнены чувствительными в звуковом диапазоне частот.

3. Волоконно-оптическая сенсорная система по п.2, отличающаяся тем, что при использовании в качестве источника оптического излучения полупроводникового лазера она дополнительно содержит контур прецизионного регулирования положения рабочей точки с управляющим воздействием на температуру лазера по статической составляющей сигнала обратной связи от фотодетектора.

4. Волоконно-оптическая сенсорная система по п.3, отличающаяся тем, что контур прецизионного регулирования положения рабочей точки в качестве терморегулирующего органа оснащен элементом Пельтье.