Материал: 00368

где f₁(P) и f₁(P₀) — соответственно резонансные частоты микромостика при давлениях Р и Р₀, Е, υ — модуль Юнга и коэффициент Пуассона кремния.

Возможность вариации геометрических размеров MP структур позволяет в соответствии с соотношением (2.8) изменять диапазон измеряемых давлений и коэффициент преобразования в широких пределах.

Пороговая чувствительность ∆P_min преобразователя определяется уровнем флуктуации частоты автогенератора:

Рис. 2.80. Чувствительный элемент MP ВОД: а — давления: 1 - одномодовый световод или коллиматор; 2 — микрорезонатор — микромосттс на мембране; б — температуры: 1 — одномодовый световод температуры; 2 — микротезонатор — микроконсоль: в — ускорения; 1 — одномодовый световод или коллиматор; 2 — микрорезонатор — микромостик на консоли; г — измерения концентрации газов: 1 — одномодовый световод или коллиматор; 2 — микрорезонатор в виде мембраны.

На рис. 2.80,б приведен MP в виде составной микроконсоли, применяемой в качестве преобразователя температуры Т. Такой выбор объясняется тем, что для MP данной топологии остаточные термонапряжения в структуре, возникающие в ходе технологических процессов, не приводят к особенностям в зависимости f(T) (немонотонность, неоднозначность, нелинейность функции преобразования). Кроме того, преимущество консольного MP по сравнению с другими типами в том, что он практически нечувствителен, кроме температуры, к другим видам внешних воздействий (давление и т.д.). Для рассматриваемого MP коэффициент преобразования

имеет вид [51]

где α_sn, y_sn, β_sn — соответственно коэффициент линейного расширения, относительные изменения модуля Юнга Е и плотности ρ для кремния (Si) и материала покрытия (n), М = E_nh_n/E_sh_s, N = p_nh_n/p_sh_s,

— эффективный коэффициент линейного расширения слоистой структуры. Из (2.9) видно, что нанесение на кремниевый MP пленок различных материалов позволяет получить оптимальный коэффициент преобразования в заданном диапазоне измерений, который может существенно отличаться от значения К_т≈-3×10^-3 %К^-1 характерного для кремниевого MP. Так, в соответствии с (2.9) для составного консольного MP со слоем из вольфрама с отношением толщин h_n/h_s=0,l имеем К_Т≈-6×10^-3 %К^-1 Пороговая увствительность рассматриваемого преобразователя ∆Т_min также определяется уровнем флуктуации частоты волоконно-оптического автогенератора

которая при

Составляет ∆T_min≈0,2K. Вследствие слабой температурной зависимости слагаемых в (2.9) коэффициент Кт практически не зависит от температуры, следовательно, функция преобразования F(T) является линейной.

На рис. 2.80.в представлен вариант MP преобразователя линейного ускорения а. Преобразователь содержит микромостик (NN') с габаритными размерами l×d×h_s, один конец которого N закреплен на основании MP, а другой N — на инертной массе с габарими размерами с×b×у, закрепленной к основанию MP с помощью держателя D. Принцип действия преобразователя ускорения основан на том, что при ускоренном движении MP наличие инертной массы М приводит в микромостике механических напряжений G растяжения или сжатия в зависимости от направления ускорения, изменяющих его резонансную частоту. При равноускоренном движении MP величина G определяется из уравнения моментов сил, приложенных к инертной массе:

откуда величина деформации микромостика

которая соответствует его резонансной частоте [59]:

Из (2.11) разложением в ряд Тейлора получим коэффициент преобразования

Исходя из уровня флуктуации частоты волоконно-оптического автогенератора и типичных материалов MP получим пороговую чувствительность преобразователя a_min=5...10^-4m/c².

На рис. 2.80.г приведен вариант MP преобразователя для измерения концентрации газов.

Как известно, изменение собственной частоты МРС, главным образом, определяется величиной «присоединенной» массы, возникающей при его взаимодействии с газом.

где m_г — масса газа, поглощаемого пленкой адсорбента MP; m — масса MP;

— собственная частота MP; A=const, определяемая геометрическими размерами MP и типом возбуждаемых мод колебаний; Е — жесткость. Исходя из значения относительных флуктуации частоты

и значения

при типичных для MP частотах f_ρ≈-3×10⁵ Гц, получаем оценку пороговой чувствительности этого типа датчика m_нορ≈3×10^-12 г.

Волоконно-оптические датчики на основе механических MP с частотным представлением измерительной информации более устойчивы к дестабилизирующим воздействиям.

Выходной сигнал этих датчиков хорошо согласуется с цифровыми системами и не искажается при случайных затуханиях в волокне, долговременных дрейфах параметров источника оптического излучения. Такие датчики обладают высокой точностью измерения и большим динамическим диапазоном (примерно 10⁵). Могут быть мультиплексированы в сети ВОД физических величин.

Оптическое мультиплексирование ВОД физических величин.

Идея об оптическом мультиплексировании ВОД физических величин возникла с самого начала их разработки. В мультиплексной схеме предполагается использовать только одну BOЛC, связывающую датчики с одним источником и приемником излучения. Тогда можно достичь, в принципе, значительной экономии в энергопотреблении и стоимости элементной базы за счет уменьшения числа ВОЛС, источников и приемников излучения.

В мультиплексной системе ВОД осуществляется двойное кодирование сигнала. Во-первых, в каждом датчике одна из измеряемых физических величин преобразуется в изменение одного из параметров оптического сигнала: амплитуды, фазы, состояния поляризации, спектрального состава или интенсивности излучения. Во-вторых, информация, поступающая от каждого датчика, должна быть закодирована определенным образом, например, по групповому запаздыванию сигнала, методом временной или частотной рефлектометрии, по спектральному составу излучения или каким-то иным методом. Каждый метод мультиплексирования обладает своими достоинствами и недостатками и, кроме того, неприменим одновременно для всех видов измерения параметров оптического сигнала.

Принцип функционирования мультиплексной системы ВОД с временным разделением каналов следующий [51]: источник излучения модулируется импульсным сигналом, импульсы света распространяются по опорному и измерительным каналам и приходят на фотоприемник с различными временными задержками. Этот мультиплексный сигнал затем поступает на систему обработки, где происходит идентификация и измерение амплитуд импульсов, (пропорциональных внешнего воздействия в измерительном преобразователе).

С целью исключения влияния на результат измерения дрейфа параметров источника и фотоприемника излучения амплитуды импульсов измерительного преобразователя нормируются к амплитуде импульсов опорного канала.

Одним из перспективных методов мультиплексирования ВОД является метод когерентной частотной рефлектометрии, так становится возможным использование огромного выигрыша в чувствительности фотоприемника излучения за счет гетеродинного или гомодинного приема излучения, возрастает чувствительность отдельных ВОД, так как становится возможным применять интерференционные методы излучения физических величин.

В этом методе чувствительные элементы представляют собой участки одномодового световода, расположенные между отражателями с малым коэффициентом отражения. При изменении частоты излучения лазера по линейному закону отклик фотоприемника на отраженный сигнал представляет собой суперпозицию гармонических составляющих, частота которых пропорциональна запаздыванию отраженных волн, амплитуда — амплитуде этих волн, а фазаопределяется фазовой задержкой в световоде. Если расстояние между отражателями в световоде больше, чем пространственное разрешение в методе когерентной рефлектометрии, то с помощью низкочастотного фильтра в сигнале можно выделить гармоническую составляющую, соответствующую отражению от отдельных отражателей. Измерив, разность фаз в гармонических составляющих сигнала, соответствующих отражению от двух соседних отражателей, мы определим фазовую задержку излучения в расположенном между ними световоде. Таким образом, участки световода между отражателями можно рассматривать как чувствительные элементы ВОД, подключенные к ВОЛС.

В методе когерентной частотной рефлектометрии положение каждого датчика кодируется своей частотой, поэтому длины световодов в датчиках могут быть выбраны независимо.

Так как отклик фотоприемника пропорционален амплитудному коэффициенту отражения, то, используя отражатели с малым коэффициентом отражения, можно уменьшить перекрестные помехи, обусловленные многократными переотражениями в световоде.

При этом методе число мультиплексируемых ВОД может достигать несколько десятков при достаточно высоком уровне отношения сигнала к шуму в системе.

Волоконно-оптические гироскопы.

Волоконно-оптические гироскопы (ВОГ), основанные на эффекте Саньяка, обладают рядом преимуществ по сравнению с электромеханическими, основные из которых: отсутствие подвижных деталей или вакуумных полостей, простота конструкции; короткое время запуска; высокая чувствительность; высокая линейность характеристик; низкая потребляемая мощность; высокая радиационная стойкость; высокая надежность, большой срок службы; потенциально низкая стоимость [60,61].

Принцип действия ВОГ. Работа ВОГ основана на эффекте Саньяка, заключающемся в том, что фазовые набеги двух электромагнитных волн, распространяющихся по замкнутому контуру неизменной конфигурации во встречных направлениях, зависят от величины и направления угловой скорости вращения этого контура.

Эффект Саньяка является невзаимным и, строго говоря, может быть объяснен на основе общей теории относительности. Однако достаточно точно соотношения могут быть получены из простых кинематических соображений [60,61].

Рис. 2.81. Жесткий кольцевой контур с распространяющимися по нему встречны­ми волнами 1 и 2.

На рис. 2.81 изображен жесткий плоский замкнутый контур в виде окружности радиуса г, в котором во встречных направлениях распространяются две электромагнитные волны 1 и 2. Плоскость контура перпендикулярна оси вращения, проходящей через его центр 0. Угловую скорость вращения обозначим Ω.

Выделим на этом контуре произвольный бесконечно малый отрезок АВ длиной dl=rdφ. При вращении контура вокруг оси кажущееся расстояние между точками АВ для встречно бегущих волн 1 и 2 изменяется. Для волны 1 оно увеличивается (волна 1 и точка В движутся в одном направлении), а для волны 2 оно уменьшается (волна 2 и точка А движутся навстречу друг другу).

Обозначим скорость электромагнитной волны в контуре через с. Тогда время dt, за которое волна пройдет участок АВ длиной dl,

Однако за время dt контур повернется на угол

и кажущееся расстояние для волны 1 увеличится, а для волны 2 уменьшится на величину

Таким образом, разность хода этих волн на участке dl будет

Интегрируя это соотношение по углу, получим разность хода на всей длине окружности

где S — площадь контура.

Эта разность хода соответствует относительному запаздыванию встречных волн на величину

или разности фаз Саньяка встречных волн

где ω — угловая частота встречных волн.

Следует заметить, что соотношения (2.17)-(2.19), записанные через площадь контура S, справедливы для плоского контура произвольной формы.

Таким образом, измеряя разность фаз Саньяка, можно получить информацию об угловой скорости вращения объекта, на котором закреплен этот контур, а ее интегрированием — информацию о его угле поворота. Эта информация используется затем для измерения угловой скорости или для управления движением и стабилизации положения объекта.

Различают два типа оптических гироскопов на основе эффекта Саньяка. В первом типе, так называемом кольцевом лазерном гироскопе, контур образован зеркалами, образующими замкнутый путь — резонатор, а пространство между зеркалами заполнено активной газовой средой. В результате в контуре-резонаторе возбуждаются встречные электромагнитные волны, разность частот которых легко находится из (2.17)

где L — длина контура-резонатора.

Во втором типе замкнутый контур образован многовитковой катушкой из волоконного световода. В этом случае на каждом витке возникает разность фаз Саньяка встречных волн, определяемых выражением (2.19), так что на всем контуре эта разность фаз оказывается в N раз большей:

где N — число витков в волоконном контуре.

Принципиальная схема ВОТ. Эта схема изображена на рис. 2.82. В соответствии с этой схемой свет от источника, которым обычно является полупроводниковый лазерный или суперлюминесцентный диод, подается на светоделитель и разделяется на два луча 1 и 2. Эти лучи распространяются в волоконном контуре в противоположных направлениях и, пройдя его, попадают снова на светоделительную пластинку, а затем на вход фотодетектора. Фотодетектор регистрирует результат интерференции встречных волн. Рассмотрим этот процесс подробнее.

Пусть электромагнитная волна на выходе из источника описывается комплексным выражением

Если светоделитель идеален (не вносит потерь и дополнительного фазового сдвига) и имеет коэффициенты деления по напряжению К₁ (на проход) и К₂ (на отражение), то волны 1 и 2 на входе в волоконный контур можно представить в виде:

Пройдя волоконный контур, эти волны приобретут постоянный сдвиг фаз γ₀=2πL/λ и сдвиг фаз Саньяка ∆φ/2, обусловленный вращением, т.е.

Таким образом, волны (2.24), пройдя еще раз делительную пластинку, образуют на входе фотодетектора результирующую волну