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 (ВОСС), 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, G01B 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, H04R 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 ВОСС 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, G01K 11/32, G02B 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, G01K 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 ВОСС 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.O., 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.

Кроме того, известна 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, G01B 9/02, 1992).

Однако такое 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.

Наиболее близкой к заявляемой по технической сущности и достигаемому результату является ВОСС, содержащая лазерный источник оптического излучения с высокой когерентностью, сенсор, оснащенный чувствительной мембраной, и оптико-электронный преобразователь (ОЭП), включающий 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 сенсору с возможностью передачи света от источника оптического излучения к сенсору, а выход фотодетектора подключен к усилителю электрического сигнала, причем выход волоконно-оптического разветвителя непосредственно связан с оптическим входом фотодетектора, а подключение волоконно-оптического разветвителя к сенсору выполнено из расчета

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 к входу фотодетектора. Для регулирования положения рабочей точки данная система оснащена полупроводниковым лазерным источником оптического излучения и контуром прецизионного регулирования положения рабочей точки с управляющим воздействием на температуру лазера по статической составляющей сигнала обратной связи от фотодетектора, в которой в качестве терморегулирующего органа может быть использован элемент Пельтье (RU 2004128514, G02F 1/00, G01B 9/00, 2006).

Из анализа формулы (1) видно, что выражение

определяет номинальное значение расстояния от торца оптического волокна второго входа волоконно-оптического разветвителя до светоотражающей поверхности мембраны интерферометрического сенсора, а допуск ±0,075λ определяет окрестность l_н, в которой должен располагаться торец оптического волокна второго входа волоконно-оптического разветвителя.

Однако прототипное устройство обладает низкой надежностью, а также энергоемким контуром автоматического регулирования положения рабочей точки. Кроме того, оно сложное в эксплуатации.

Технической задачей предлагаемого устройства является повышение надежности конструкции и упрощение условий ее эксплуатации.

Решение указанной технической задачи заключается в том, что в ВОСС, содержащую лазерный источник оптического излучения с высокой когерентностью, интерферометрический сенсор, оснащенный чувствительной мембраной, ОЭП, включающий волоконно-оптический разветвитель, выполненный из одномодовых оптических волокон, фотодетектор и усилитель электрического сигнала, вход которого подключен к выходу фотодетектора, при этом первый вход волоконно-оптического разветвителя связан с лазерным источником оптического излучения, интерферометрический сенсор подключен ко второму входу волоконно-оптического разветвителя с возможностью передачи света и приема оптического интерференционного сигнала, выход волоконно-оптического разветвителя связан с оптическим входом фотодетектора, а подключение волоконно-оптического разветвителя к интерферометрическому сенсору выполнено из расчета нахождения торца оптического волокна второго входа волоконно-оптического разветвителя в окрестности номинального расстояния от светоотражающей поверхности чувствительной мембраны интерферометрического сенсора согласно формуле (2), вносятся следующие изменения:

1) ВОСС содержит не менее двух ОЭП и дополнительно содержит:

- делитель оптического излучения;

- детекторы среднего уровня электрического сигнала по числу ОЭП;

- селектор;

- коммутатор;

2) первые входы волоконно-оптических разветвителей ОЭП связаны с лазерным источником излучения через делитель оптического излучения;

3) выходы усилителей ОЭП подключены к соответствующим входам селектора через детекторы среднего уровня электрического сигнала для автоматического выбора ОЭП, с которого производится съем текущей информации;

4) выход селектора подключен к управляющему входу коммутатора;

5) информационные входы коммутатора соединены с выходами усилителей соответствующих ОЭП;

6) подключение волоконно-оптических разветвителей к интерферометрическому сенсору выполнено на разных расстояниях торца оптического волокна второго входа волоконно-оптического разветвителя до светоотражающей поверхности мембраны интерферометрического сенсора в окрестности ±0,2λ, от l_н.

Внесенные изменения обеспечивают новый принцип действия ВОСС, заключающийся в выборе рабочей точки (в условиях дрейфа синусоидальной статической характеристики выходного сигнала сенсора от смещения l, вызванного, в частности, изменением низкочастотных составляющих значений температуры и давления) на ОЭП с максимальным средним значением переменной составляющей измеряемого сигнала путем переключения текущего ОЭП по данному критерию. Таким образом, в отличие от прототипа, где положение рабочей точки регулировали изменением длины волны λ оптического излучения, используя зависимость λ полупроводникового лазера от температуры, в предлагаемом устройстве рабочую точку выбирают на соответствующем ОЭП без корректировки λ и, соответственно, температуры лазера, а также температуры и давления по месту установки интерферометрического сенсора. Это имеет следствиями изъятие энергоемкого и сложного в эксплуатации контура прецизионного регулирования положения рабочей точки прототипа, а также расширение интервала рабочих температур и давлений по месту установки интерферометрического сенсора.

Предпочтительной в отношении приемлемой точности и простоты изготовления является ВОСС с тремя ОЭП, подключение волоконно-оптических разветвителей которых к интерферометрическому сенсору выполнено на расстояниях l_н-0,1λ, l_н и l_н+0,2λ от торцов оптических волокон вторых входов соответствующих волоконно-оптических разветвителей до светоотражающей поверхности мембраны интерферометрического сенсора.

На фиг.1 представлена экспериментальная зависимость статического выходного сигнала ВОСС с одним ОЭП от температуры сенсора; на фиг.2 представлена схема узла сенсора ВОСС с четырьмя ОЭП; на фиг.3 дана функциональная схема подключения элементов выбора текущего ОЭП для съема выходной информации ВОСС; на фиг.4 и 5 приведены синхронные записи сигналов на выходе ВОСС и каждого ОЭП вариантов системы с двумя и тремя ОЭП при работе в условиях программного изменения температуры.

В табл.1 и 2 представлены результаты испытаний чувствительности вариантов ВОСС.

Фиг.1 иллюстрирует синусоидальный характер экспериментально отснятой зависимости выходного сигнала ВОСС, оснащенной одним ОЭП, от температуры среды, в которой работает интерферометрический сенсор в диапазоне от 20 до 70°С. Аналогичная зависимость имеет место и при изменении расстояния от торца оптического волокна второго входа волоконно-оптического разветвителя до светоотражающей поверхности мембраны интерферометрического сенсора, причем последняя характеристика дрейфует под действием изменения как длины волны оптического излучения, так и внешних факторов. Очевидно, что ВОСС работоспособна только в области квазилинейного участка характеристики (примерно от 20 до 80% от максимального значения приведенного статического сигнала), где чувствительность системы достаточна для приема полезного (динамического) сигнала. Отсюда идея предлагаемого технического решения: установить несколько ОЭП на различных расстояниях соответствующих торцов их оптических волокон от светоотражающей поверхности мембраны сенсора и переключать рабочие каналы, образованные этими ОЭП по критерию нахождения рабочей точки в положении максимально возможной чувствительности, т.е. на квазилинейном участке синусоидальной характеристики. Для осуществления этого замысла необходимо реализовать функцию определения текущей чувствительности каждого из информационных каналов, образованных соответствующими ОЭП, и функцию подключения к общему выходу системы измерительного канала с максимальной текущей чувствительностью. В предлагаемой ВОСС относительную чувствительность определяют с помощью детекторов среднего уровня электрического сигнала, а определение и включение канала с максимальной текущей чувствительностью осуществляют с помощью селектора и коммутатора.

Четырехканальный вариант ВОСС приведен на фиг.2 и 3. Представленная ВОСС содержит лазерный источник 1 оптического излучения с высокой когерентностью, интерферометрический сенсор 2, оснащенный чувствительной мембраной 3, четыре ОЭП 4, каждый из которых включает волоконно-оптический разветвитель 5, выполненный из одномодовых оптических волокон, фотодетектор 6 и усилитель 7 электрического сигнала, вход которого подключен к выходу фотодетектора 6. Интерферометрический сенсор 2 подключен ко вторым входам волоконно-оптических разветвителей 5 с возможностью передачи света и приема оптического интерференционного сигнала. Выходы волоконно-оптических разветвителей 5 связаны с оптическим входом соответствующего фотодетектора 6, а подключение каждого волоконно-оптического разветвителя 5 к интерферометрическому сенсору 2 выполнено из расчета нахождения торца оптического волокна второго входа волоконно-оптического разветвителя в окрестности номинального расстояния от светоотражающей поверхности чувствительной мембраны интерферометрического сенсора согласно формуле (2). Первые входы волоконно-оптических разветвителей 5 связаны с лазерным источником 1 оптического излучения через делитель 8 оптического излучения. ВОСС дополнительно содержит селектор 9, коммутатор 10 и четыре детектора 11 среднего уровня электрического сигнала, при этом выходы усилителей 7 ОЭП 4 подключены к соответствующим входам селектора 9 через детекторы 11, выход селектора 9 подключен к управляющему входу коммутатора 10, информационные входы коммутатора 10 соединены с выходами усилителей 7 соответствующих ОЭП 4, а подключение волоконно-оптических разветвителей 5 ОЭП 4 к интерферометрическому сенсору 2 выполнено на разных расстояниях от торцов оптических волокон вторых входов соответствующих волоконно-оптических разветвителей 5 до светоотражающей поверхности мембраны 3 интерферометрического сенсора 2 в окрестности ±0,2λ от l_н.

ВОСС работает следующим образом. Лазерное излучение от источника 1, пройдя через делитель 8, поступает на соответствующие входы интерферометрического сенсора 2. Часть излучения отражается от выходного торца оптического волокна, а другая часть излучения проходит расстояние I, и, отразившись от мембраны 3 сенсора 2, поступает в обратном направлении в указанный торец того же оптического волокна. В пределах допустимых значений установочных характеристик ВОСС, определяемых формулами (1) и (2), указанные световые потоки складываются когерентно, формируя, таким образом, интерференционную картину. Результирующие оптические сигналы с выхода разветвителей 5 поступают на соответствующие фотодетекторы 6, где преобразуются в электрические сигналы, которые принимаются соответствующими усилителями 7, и с выхода последних поступают на соответствующие информационные входы коммутатора 10, а также через детекторы 11 среднего уровня электрического сигнала на соответствующие входы селектора 9. Детекторы 11 выделяют средние значения динамических составляющих сигналов, поступивших от усилителей 7 электрического сигнала, формируя тем самым оценки текущей чувствительности соответствующих ОЭП. Эти оценки анализируются селектором 9, работающим в режиме функционального преобразователя, на выходе которого формируется информация о номере ОЭП, текущая чувствительность которого максимальна. Эта информация, поступив на управляющий вход коммутатора 10, используется им для коммутации своего выхода U_вых с тем информационным входом, по которому текущая чувствительность максимальна.

В зависимости от назначения системы, к выходу коммутатора 10 могут подключаться соответствующие электрические, звуковые, световые и иные регистрирующие устройства.

При техническом осуществлении ВОСС расположение торцов оптических волокон по месту подключения к интерферометрическому сенсору 4 настраивают по интерференционной картине или с помощью микропозиционера.

В качестве делителя 8 оптического излучения может быть использован одномодовый волоконно-оптический разветвитель SM 1,55, в качестве селектора 9 удобно использовать программируемый микроконтроллер на базе микросхемы ATMega-8535 фирмы ATMEL (США). Коммутатор 10 может быть собран на базе микросхемы ADG412 фирмы Analog devices (США), а детектор 11 среднего уровня электрического сигнала - на базе микросхемы True RMS-to-DC Converter AD736 той же фирмы. Возможна также программная реализация блоков 9, 10 и 11 на базе компьютера.

Сравнительные испытания прототипной и вариантов предлагаемой ВОСС проводились при длине волны лазерного оптического излучателя 1,55 и 1,3 мкм. Расположение торцов оптических волокон установлено из расчета номинального расстояния l_н до отражающей поверхности мембраны сенсора по формуле (2) при n=2001. Конкретные значения l были равны l_н-0,2λ, l_н-0,1λ, l_н, l_н+0,1Δ и l_н+0,2λ. Исследовались характеристики выходных сигналов ВОСС, а также каждого из ОЭП двух-, трех- и четырехканальных ВОСС в условиях программного изменения температуры окружающей среды сенсора в диапазоне от 24 до 80°С. Результаты приведены в табл.1 и 2 и на графиках фиг.4 и 5.

Как видно из таблиц, максимальное снижение чувствительности, характеризуемое падением соответствующего выходного сигнала, в ВОСС с двумя ОЭП составило 22 и 32 дБ для частоты излучения 1,55 и 1,3 мкм соответственно. Флуктуации 3-х и 4-канальных ВОСС не превышают 6 дБ и практически не зависят от длины волны излучения.

Фиг.4 иллюстрирует формирование во времени результирующего сигнала (U_вых) ВОСС с двумя ОЭП. Здесь кривая 1 - график регулирования температуры; 2 и 3 - график сигналов на выходе 1-го и 2-го ОЭП соответственно; 4 - результирующий сигнал U_вых на выходе ВОСС.

Фиг.5 иллюстрирует формирование во времени результирующего сигнала (U_вых) ВОСС с тремя ОЭП. Здесь кривая 1 - график регулирования температуры; 2, 3 и 4 - график сигналов на выходе 1-го, 2-го и 3-го ОЭП соответственно; 4 - результирующий сигнал U_вых на выходе ВОСС.

Как проиллюстрировано приведенными примерами, использование предлагаемой ВОСС по сравнению с прототипом позволяет изъять энергоемкий и сложный в эксплуатации контур прецизионного регулирования положения рабочей точки, а также расширить интервал рабочих температур и давлений по месту установки интерферометрического сенсора. Конкретные значения указанных параметров определяются допустимыми характеристиками технической эксплуатации используемых материалов, что важно для работы в экстремальных условиях. Обеспечена также возможность автоматической корректировки положения рабочей точки не только для полупроводникового, но и для любого другого типа лазерного источника излучения.

1. Волоконно-оптическая сенсорная система, содержащая лазерный источник оптического излучения с высокой когерентностью, интерферометрический сенсор, оснащенный чувствительной мембраной, селектор, коммутатор, не менее двух оптико-электронных преобразователей, каждый из которых включает волоконно-оптический разветвитель, выполненный из одномодовых оптических волокон, фотодетектор и усилитель электрического сигнала, вход которого подключен к выходу фотодетектора, а выходы подключены к соответствующим входам селектора через детекторы среднего уровня электрического сигнала для автоматического выбора оптико-электронного преобразователя, с которого производится съем текущей информации, выход селектора подключен к управляющему входу коммутатора, информационные входы коммутатора соединены с выходами усилителей электрического сигнала соответствующих оптико-электронных преобразователей, при этом первые входы волоконно-оптических разветвителей связаны с лазерным источником оптического излучения через делитель оптического излучения, интерферометрический сенсор подключен ко вторым входам волоконно-оптических разветвителей, которые выполнены с возможностью передачи света в интерферометрический сенсор и приема оптического интерференционного сигнала, выходы волоконно-оптических разветвителей связаны с оптическими входами фотодетекторов, причем торцы вторых входов волоконно-оптических разветвителей оптико-электронных преобразователей расположены на разных расстояниях до светоотражающей поверхности мембраны интерферометрического сенсора в окрестности ±0,2λ от l_n, причем

l_n=0,125λn,

где I_n - номинальное значение расстояния 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].

2. Волоконно-оптическая сенсорная система по п.1, отличающаяся тем, что она содержит три оптико-электронных преобразователя, при этом торцы вторых входов волоконно-оптических разветвителей расположены на расстояниях l_n-0,1λ, l_n и l_n+0,2λ до светоотражающей поверхности мембраны интерферометрического сенсора.