Материал: 00368

Основной проблемой при создании амплитудных ВОД всех типов является проблема низкочастотных дрейфов сигнала. Для их исключения, как правило, применяются двухканальные оптические схемы и разрабатываются соответствующие электронные системы обработки сигналов. Такая схема изображена на рис.2 — 3десь использован метод временного разделения сигналов измерительного и опорного каналов [51], который позволил существенно повысить точность измерений по сравнению со случаем, когда сравниваются только амплитуды измерительного и опорного каналов. Волоконно-оптические датчики имеет два волоконно-оптических канала разной длины. На торце волокна опорного канала размещается глухое зеркало, на конце измерительного канала — чувствительный элемент или преобразователь. При модуляции источника излучения, например, последовательностью прямоугольных импульсов и в случае отсутствия сигнала с чувствительного элемента (отсутствие внешнего воздействия) на фотоприемнике регистрируется та же самая последовательность импульсов с некоторым затуханием. В случае появления сигнала с преобразователя характер сигнала на фотоприемнике меняется, между контрольными импульсами появляются сигнальные. Это происходит вследствие различных длин волокон в каналах, обеспечивающих временной сдвиг.

Путем обработки и сравнения спектров полученных сигналов вычисляется величина внешнего воздействия.

В данной оптической схеме могут применяться различные чувствительные элементы или преобразователи.

Рис. 3. Чувствительный элемент ВОД отражательного типа: 1 — волокно; 2 — корпус; 3 — мембрана; 4 — зеркало.

Большой класс датчиков основан на измерении расстояний от торца выходного волокна до зеркала, которое движется под действием внешних воздействий, например, давления, температуры и т.д. Таким образом, осуществляется преобразование измеряемой величины в перемещение. Схема оптической головки показана на рис.3. Мощность отраженного от зеркала излучения зависит от расстояния зеркала до торца волокна Z, а степень этой зависимости определяется числовой апертурой NA и диаметром световедущей жилы волокна 2а.

Для одноволоконного датчика, выполненного на стандартном многомодовом волокне с диаметром световедущей жилы 2а=50мкм, диапазон измерений перемещений составил примерно 0...400 мкм с погрешностью ±0,3 мкм. Значение погрешности определяется в основном нестабильностями оптической схемы датчика. Очевидно, что если выбирать разные типы волокон или даже жгуты, то можно довольно в широких пределах изменять диапазон работы датчика. На этом принципе предложено большое число вариантов датчиков перемещений, давления акустических колебаний, температуры. В ВОД проходного типа для модуляции амплитуды световой волны могут быть использованы как внешние чувствительные элементы (преобразователи), располагающиеся в разрывах волоконно-оптического тракта, так и сами отрезки оптического волокна, в которых модуляция происходит за счет изменяющихся вследствие внешних воздействий условий распространения света в волокне.

В качестве внешних чувствительных элементов наиболее часто используются мембраны и другие упругие элементы, на которых устанавливаются штоки или решетки, перекрывающие световой поток в разрывах волокна, а также подвижные зеркала, отклоняющие световые потоки. В основе всех этих ВОД лежит механический принцип смещения того или иного оптического элемента (решетки, шторки, зеркала, торца волокна) в результате внешних воздействий. На этом принципе созданы ВОД для измерения давления, акустических колебаний, вибраций и ускорения.

Достаточно технологичными и применяемыми являются ВОД, принцип действия которых основан на амплитудной модуляции света вследствие малых угловых или линейных смещений концов волокон одного относительно другого. Наиболее распространенными из них являются волоконно-оптические виброметры или акселерометры. Они выполняются с применением кремниевой технологии. В кремниевой пластине вытравливаются V-образные канавки, в которые укладываются волокна одно против другого. По одному волокну передается излучение от источника, второе волокно подключено к фотоприемнику. При возникновении вибраций или ускорений свободный конец волокна смещается относительно зафиксированного, вследствие чего изменяется интенсивность света, попадающего в приемное волокно. При этом одно волокно фиксируется жестко, а конец другого волокна свободен на заданную длину. Для повышения точности и чувствительности применяется дифференциальная оптическая схема, когда с приемной стороны зафиксированы два волокна, а конец передающего волокна свободен.

Рис. 3. Чувствительный элемент волоконного акселерометра: 1 — передающий одномодовый световод; 2 — приемный одномодовый световод; 3 — кремниевая подложка.

На рис.4 представлен чувствительный элемент волоконного акселерометра. В акселерометрах и виброметрах шторочного типа в разрыве между зафиксированными оптическими волокнами с ормирующими поток излучения линзами располагается упругая масса со шторкой, перекрывающей световой поток.

Пределы измеряемых ускорений таких датчиков составляют 1 м/с ...400 м/с на частотах от единиц герц до 1 кГц.

Значительная часть ВОД с модуляцией интенсивности основана на изменении оптических потерь в волокне или во внешних чувствительных элементах в результате контролируемых воздействий. На этом принципе разработаны ВОД температуры, коэффициента преломления жидкости, уровня жидкости, деформаций и давления, скорости потока жидкости. Если на определенном участке оптического волокна удалить оболочку и оголить световедущую жилу, которую затем поместить в жидкость, коэффициент преломления которой является функцией температуры, то вследствие изменения коэффициента преломления будет изменяться критический угол и апертура волокна, что приведет к увеличению потерь в данном отрезке.

Впоследствии вместо жидкой оболочки был применен полимер — СИ-ЭЛ (силиконовая резина), который позволил реализовать датчики температуры криогенных жидкостей.

Температурная зависимость сдвига края зоны собственного поглощения в полупроводниках так же широко используется для создания ВОД температуры. В качестве чувствительных элементов здесь применяются такие полупроводники как GaAs, CdTe, Si.

Известно, что с ростом температуры граничная длина волны спектра поглощения полупроводника, например, для GaAs сдвигается в длинноволновую область на величину, равную 0,03 мкм/К.

Если источник излучения имеет спектр, лежащий в окрестности края зоны, то интенсивность проходящего через него света будет сильно зависеть от температуры. На этом принципе созданы датчики как проходного, так и отражательного типов. Наиболее широкое применение получила такая пара, в которой в качестве термочувствительного элемента используется GaAs, а источником излучения является светодиод на основе соединения AIGaAs.

Для ВОД проходного типа пластина GaAs устанавливается в разрыве оптического волокна, а для отражательного крепится на конце волокна и на внешней ее стороне напыливается зеркало.

Для получения хорошей стабильности и чувствительности применяется двухканальная схема или схема со светодиодами, работающими на двух длинах волн: измерительной и опорной.

Реализованные точности измерений составляют ±0,5 °С в диапазоне температур 0...300 °С.

Эффект зависимости спектра флюоресценции соединения с редкоземельными ионами [(Gd_xEu_1-x)₂O₂S] от температуры используется для создания флюоресцентных ВОД температуры. Такие ВОД имеют конструкцию «зонда» отражательного типа. Для возбуждения флюоресценции с помощью волокна к чувствительному элементу подводится ультрафиолетовое излучение. По этому же волокну передается флюоресцентное излучение, спектр которого анализируется. Область измерения температуры таким датчиком составляет от -50 до +200 °С погрешность ±0,1°С.

Амплитудным ВОД физических величин присущ общий недостаток, заключающийся в слабой устойчивости измерительной информации к дестабилизирующим воздействиям. Колебания интенсивности излучения, вызванные изменениями мощности излучателя, чувствительности фотоприемника или потерь подводящих световодов, воспринимаются как полезный сигнал. Так, например, изменение температуры окружающей среды приводит к изменению характеристик практически всех элементов ВОД.

Изменяется эффективность полупроводниковых источников излучения (даже при температурной компенсации, основанной на оптической обратной связи, нестабильность составляет примерно 0,15 %/10 К, что в диапазоне температур — -60...+85 °С приводит к 2...3 % дополнительной погрешности); квантовая эффективность фотоприемников (для p-i-n-диодов и лавинных фотодиодов примерно (1...3)%, оптические потери в пассивных элементах ВОД: соединительных световодах, разъемах, ответвителях (до 10 %).

Существенно влияют на характеристики элементов ВОД механические воздействия, вызванные вибрациями, ударами, колебаниями давления и т.д. Так механические напряжения в кристаллах и элементах конструкций полупроводниковых излучателей приводят к нестабильности мощности излучения примерно 0,8...5 %.

Возникающие изгибы и микроизгибы световодов приводят к изменению потерь в них 1...10 %.

К дополнительным погрешностям измерений амплитудных ВОД приводят колебания модового состава излучения (при использовании многомодовых световодов), вызванные воздействием на элементы ВОД (влажность и запыленность окружающей среды, радиационное воздействие).

Поэтому для улучшения характеристик амплитудные ВОД строят по дифференциальным схемам. Однако даже такие меры не позволяют получить с датчиками амплитудного типа погрешность измерений менее 0,1% и динамический диапазон порядка 10⁴.

К достоинству амплитудных ВОД можно отнести миниатюрность чувствительного элемента и удобство преобразования измеряемых воздействий.

Волоконно-оптические датчики поляризационного типа. В основе функционирования этих датчиков лежит зависимость состояния поляризации световой волны, распространяющейся в среде, (кристаллы, оптические волокна) от внешних воздействий. Внешнее воздействие, например, электромагнитное поле или деформация, воздействуй на вещество (кристаллы, волокна) изменяет его свойства, вследствие чего изменяется состояние поляризации световой волны на выходе этого вещества.

Существуют несколько физических эффектов, приводящих к модуляции поляризации света.

Линейный электронно-оптический эффект Поккельса заключается в том, что при наложении на кристалл электрического поля, последний, становится анизотропным, т.е. скорость распространения световых волн с различными поляризациями, соответствующим образом направленными и ориентированными относительно осей кристалла и направления внешнего поля, становятся различными.

Такие среды и кристаллы называются электрооптическими, а возникающая анизотропия — наведенным двулучепреломлением. Тогда, если на вход такого кристалла подается линейно-поляризованная световая волна, то, пройдя через кристалл, она становится эллиптически поляризованной. Таким образом, между двумя волнами с взаимно перпендикулярными линейными поляризациями возникает сдвиг фаз, который линейно зависит от приложенного электрического поля. На этом принципе строятся ВОД напряженности электрического поля и напряжения [54].

Эффект Фарадея заключается во вращении плоскости поляризации линейно-поляризованной световой волны в магнитооптических материалах.

Если направление распространения линейно-поляризованной световой волны в веществе совпадает с направлением магнитного поля (или противоположно ему), то плоскость поляризации волны в веществе будет поворачиваться, причем, угол поворота линейно зависит от магнитного поля и не зависит от его направления. Таким образом, эффект Фарадея есть следствие анизотропии преломляющих свойств магнитной среды для световых волн с правой и левой круговой поляризациями, возникающей под действием магнитного поля. На этом принципе строятся ВОД магнитного поля и электрического тока [54].

При деформации упругого тела изменяется коэффициент преломления вещества этого тела, и проявляются свойства двулучепреломления (аналогично эффекту Поккельса). Этот эффект называется эффектом фотоупругости. Эффект фотоупругости применяется для создания датчиков давления, вибраций [54].

На рис. 2.76 представлена схема ВОД для измерения напряжения. В таком датчике [54] можно добиться изменений выходного напряжения не более 0,5 % при входном измеряемом напряжении от нескольких вольт до 300 В. Температурная нестабильность выходного сигнала не превышает +3 % в диапазоне от —10 до +85° С.

Рис. 2.76. Схема волоконно-оптического вольтметра, в котором используется попереч­ный эффект Поккельса в кристалле Bi₁₂SiO₂₀ (направление распространения световой волны и вектора измеряемого электрического поля ортогональны): 1 — источник света; 2 — оптические волокна; 3 — фотоприемник 4 — градиентная линза; 5 — поляризатор; 6 — ЭО кристалл Bi₁₂SiO₂₀; 7 — фазовая пластина λ/4; 8 — анализатор.

Волоконно-оптические датчики на основе микромеханических резонаторов, возбуждаемых светом. В последние годы широкое развитие получили работы по созданию нового класса ВОД на основе микромеханических резонаторов с частотным кодированием выходного сигнала [53,55]. Микрорезонатором (MP) чаще всего служит микромостик или микроконсоля, изготовляемые методом анизотропного травления в пластине из монокристаллического кремния. Под действием модулированного оптического излучения в MP возбуждаются изгибные колебания, механизм такого возбуждения главным образом фототермичный. При поглощении пластиной MP оптического излучения ее освещенная сторона оказывается сильнее прогретой, что приводит к возникновению большого механического напряжения, связанного с температурным расширением.

В связи с этим в пластине возникает изгибный момент сил, изменяющийся в фазе с модулированным оптическим излучением, который приводит к механическим колебаниям MP.

Внешнее воздействие (давление, температура, ускорение и т.п.) преобразуется во внутреннее механическое напряжение MP, что приводит к изменению его собственной резонансной частоты, определяемой размерами MP и его физическими свойствами.

Факторами, определяющими качество чувствительного элемента (MP), являются резонансная частота его собственных колебаний и добротность. Типичные значения собственных частот MP лежат в пределах 10³... 10⁵ Гц, а добротностей вплоть до 2×10⁴. При разработке микрорезонаторных ВОД применяют оптические методы возбуждения колебаний и съема информации.

Возбуждение MP осуществляется модулированным оптическим излучением в режимах вынужденных и свободных колебаний.

Поскольку типичное значение ширины MP составляет (20...100) мкм, что хорошо согласуется с размером световедущей жилы многомодового птического волокна, то для возбуждения MP широко используются полупроводниковые лазеры и светодиоды с мощностью 1 мВт.

В связи с малой амплитудой колебаний MP (менее 0,1 мкм) используют интерференционный съем информации. Однако такой съем требует специальных мер по компенсации или предотвращению смещений рабочей точки, происходящих под действием факторов окружающей среды. На рис. 2.77 изображена схема ВОД на основе MP.

Рис. 2.77. Двухканальная схема воло­конно-оптического датчика на основе ми­крорезонатора: 1 — ячейка Брегга; 2 — фильтр; 3 — фотоприемник; 4 — анали­затор спектра; 5 — микрорезонатор; 6 — волоконно-оптический ответвитесь; 7 — мо­дулятор.

Когерентное излучение лазера вводится в волоконный световод, по которому распространяется, и микрорезонатор. Выходной торец волокна и частично отражающая поверхность MP образуют итерферометр Фабри-Перо. При колебаниях пластины микрорезонатора излучение, отраженное интерферометром, оказывается промодулированным. Распространяясь обратно по волокну, часть его с помощью волоконного ответвителя попадает на фотоприемник (ФП), далее информационный сигнал обрабатывается анализатором спектра.

На этом принципе был создан ВОД для измерения давления с высокой степенью точности (0,05%) в широком диапазоне давлений, который пригоден для аэрокосмической техники [56].

Чувствительный элемент ВОД выполнен в виде расположенных в непосредственной близости микромостика и микроконсоли, изготовленных методом анизотропного травления в кремниевой мембране. Частоты собственных колебаний микромостика и микроконсоли составляли примерно 30 и 190 кГц соответственно. Датчик имел частотный выход сигнала, т.е. информация о воздействующей величине выдавалась в виде изменения резонансной частоты MP.

Дальнейшее развитие этого направления связано с созданием самовозбуждающихся микрорезонаторных датчиков на основе автоколебательной системы волоконный лазер — микрорезонаторная структура, в которой происходит автомодуляция параметров оптического излучения [57, 58]. Зависимость частоты автомодуляции F от характеристик микрорезонаторных структур, селективно чувствительных к внешним воздействиям, позволяет рассматривать волоконно- оптические автоколебательные системы в качестве базовых при создании микрорезонаторных волоконно-оптических датчиков с частотным способом представления информации.

Установлено, что при изменении собственной частоты акустических колебаний ∆f_p вследствие внешних воздействий на МРС (10f_p/f_p<<l), приращение частоты автомодуляции ∆F определяется из соотношения

∆F/F=Af_p/f_p (2.7)

Основным источником флуктуации частоты автомодуляции F является нестабильность средней мощности излучения волоконно-оптического лазера, стабилизация которой с точностью до 1 % позволит уменьшить относительные флуктуации частоты до (∆F/F)_фл<10^-5. На рис. 2.78 представлена схема преобразований энергии автоколебательной системы волоконно-оптический лазер — микрорезонаторная структура.

Как видно из рис. 2.79, условия резонансной автомодуляции реализуются в вариантах трехзеркального волоконно-оптического резонатора ВОЛ с МРС (рис. 2.79,а), так и двухзеркального резонатора (рис. 2.79,б), имеющих оптическую связь через интерферометр Фабри-Перо или коллиматор.

Рис. 2.78. Схема преобразований энергий автогенератора ВОЛ-МРС при фототермиче­ском механизме возбуждения МРС.

Рис. 2.79. Схема построения автогенераторных микрорезонаторных волоконно-опти­ческих датчиков физических величин: а - оптическая связь через интерферометр Фабри-Перо (ИФП): б — оптическая связь через коллиматор (К).

Условия возникновения автомодуляции сводятся к следующим для системы ВОЛ-МРС с оптической связью через ИФП: 1) частота релаксационных колебаний ВОЛ (или ее гармоник) близка к резонансной частоте МРС f_p≈nf_peл, где n=1, 2, 3...;

2) рабочая точка ИФП расположена на определенных ветвях интерферограммы, периодичных с периодом ИФП λ/2;

3) оптическая мощность, падающая на ИФП, превышает пороговое значение. Для системы ВОЛ-МРС с оптической связью через коллиматор, в которой

устанавливается автоколебательный режим, необходимо выполнение следующих условий: 1) исходный угол между осью пучка и нормалью к поверхности МРС_n находится в интервале (θ₁, θ₂), границы которой расположены в пределах дифракционной расходимости пучка и зависят от характеристик МРС и параметров волоконного резонатора ВОЛ; 2) резонансная частота МРС близка к частоте релаксационных колебаний ВОЛ или ее гармоникам: f_p≈nf_peл; 3) падающая на МРС мощность излучения превышает пороговый уровень W_n, зависящий от характеристик МРС волоконного резонатора.

Соотношение f_p≈nf_peл показывает, что в рассматриваемых системах автоколебания возбуждаются в условиях резонансного взаимодействия ВОЛ и МРС. При этом в условиях резонанса (f_p≈f_peл) частота автомодуляции интенсивности ВОЛ F практически совпадает с f_p≈F, в то время как при f_p≈nf_peл (n≠1) выполняется соотношение F≈(1/n)f_ρ.

Представляется перспективным применение в микрорезонаторных ВОД автогенераторного типа волоконно-оптических лазеров (ВОЛ), обладающих рядом уникальных свойств, позволяющих, в частности: 1) обеспечить эффективное оптическое согласование MP с ВОЛ, тем самым получить оптическую обратную связь между ними; 2) оптимизировать длину волны излучения λ, благодаря возможности значительной перестройки спектрального диапазона генерации ВОЛ; 3) в широких пределах изменять параметры лазера: выходная мощность излучения, частота релаксационных колебаний, длина волоконного резонатора ВОЛ (до 100 м и более) и т.д. Эти особенности приводят к новым свойствам систем типа ВОЛ-микрорезонатора, в частности, возможность автоколебательного режима с резонансной частотой MP. Характеристики микрорезонаторных ВОД физических величин Принцип действия ВОД давления основан на том, что давление Р вызывает деформацию мембраны, на которой расположен микромостик (рис. 2.80,а). Вследствие этой-деформации в мостике возникают растягивающие или сжимающие напряжения, приводящие к изменению резонансной частоты микромостика, которая описывается приближенной формулой [59].