ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОЕ МУЛЬТИПЛЕКСНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ Российский патент 1997 года по МПК G01K11/32 

Изобретение относится к волоконно-оптическим преобразователям, регистрирующим изменение фазы электромагнитной волны, распространяющейся по оптическому каналу, от температуры.

Распространенная конструкция преобразователя этого типа (датчиков) представляет собой двухплечевое волоконно-оптическое (по типу интерферометра Маха-Цандера) устройство, регистрирующее изменение фазы интерферометрическим методом при наложении сигналов измерительного и опорного каналов.

К недостаткам датчиков этого типа относятся зависимость выходного сигнала от нестабильности источника излучения, дрейф чувствительности фотоприемника и параметров волоконно-оптического тракта, а также избыточная длина волоконного световода, обусловленная наличием измерительного и опорного каналов, оптически связанных между собой с помощью соединителя [1]
Упростить конструкцию датчика и улучшить его характеристики стало возможным, благодаря разработке технологии изготовления световодов со встроенными в световод полупрозрачными отражателями и применению интерфорометра Фабри-Перо. Из таких устройств наиболее близким к данному изобретению по технической сущности и достигаемому результату является волоконно-оптический интерференционный датчик температуры (ВОИДТ).

Чувствительным элементом ВОИДТ является резонатор Фабри-Перо, образованный отрезком одномодового световода между двумя полупрозрачными отражателями из слоев, встроенных в световод. При этом длина резонатора, которая определяет чувствительность и область измеряемых температур в пределах одной интерференционной полосы, практически может быть любой.

Как известно, коэффициенты отражения R и пропускания Т когерентного света, распространяющегося по световоду, зависят от набега фазы Φ в резонаторе и описываются соотношениями:

где r коэффициент отражения от полупрозрачного отражателя (r≈2%).

Изменение температуры волоконного резонатора приводит к изменению v что в свою очередь вызывает изменение интенсивности отраженного от резонатора излучения, фиксируемого с помощью фотоприемника.

Датчику температуры с резонатором Фабри-Перо присущи все недостатки, характерные для волоконно-оптических датчиков, построенных на базе Маха-Цандера, за исключением того, что в нем отсутствуют опорный канал и соединитель.

Задача, решаемая данным изобретением, заключается в разработке высокостабильной волоконно-оптической мультиплексной системы измерения температуры с высокой чувствительностью, в которой компенсируется нестабильность источника излучения, дрейф чувствительности фотоприемника и параметров волоконно-оптического тракта, что повышает точность измерения при упрощении конструкции и существенном расширении функциональных возможностей системы.

Указанный технический результат достигается следующим образом.

Для компенсации нестабильности мощности излучения источника в волоконно-оптическом тракте в произвольной точке C дополнительно к интерферометру Фабри-Перо размещается полупрозрачный отражатель, направляющий часть мощности излучения источника к фотоприемнику.

Если полупрозрачные отражатели интерферометра Фабри-Перо расположены в точках A и B, то при формировании отклонения интенсивностей отраженного излучения от резонаторов AB и отражателя C, соответственно получаем:

где J_AB интенсивность излучения, отраженного от резонатора AB;
J_с интенсивность излучения, отраженного от отражателя C;
J₀ интенсивность источника излучения;
f_ф функция фотоприемного преобразователя;
S_фп интегральная чувствительность фотоприемника;
η коэффициент потерь мощности в световоде;
r коэффициент отражения от полупрозрачного отражателя C.

Из выражения (2) следует, что при формировании отношения сигналов нестабильности источника, дрейф чувствительности фотоприемника и параметров волоконно-оптического трактов исключены.

Принцип измерения температуры с помощью предлагаемой мультиплексорной системы состоит в следующем.

Пусть в момент времени t₁ температура резонатора AB, совпадающая с температурой подложки, равна q₁ что соответствует фазе колебаний отраженного излучателя Φ₁(θ₁) При изменении температуры окружающей среды на величину Δθ₁ фаза колебаний изменяется аналогично на величину ΔΦ₁(Δθ₁) и становится равной Φ₂(θ₂) где θ₂=θ₁+Δθ₁ Тогда приращение фазы ΔΦ₁ и приращение температуры Δθ₁ связываются соотношением:
ΔΦ₁(Δθ₁)=Φ₂(θ₂)-Φ₁(θ₁)=PΔθ₁L,
где P температурное изменение фазы Φ сигнала в измерительном плече (температурный коэффициент);
L длина плеча.

В общем случае температурное изменение фазы в волоконно-оптическом датчике интерферометрического типа определяется соотношением:

где волновое число в вакууме;
l длина волны излучателя;
n показатель преломления сердцевины волокна;
d диаметр сердцевины волокна;
Неоднородностью температуры по диаметру можно пренебречь и для чувствительности такого датчика записать более простое выражение:

В большинстве случаев доминирующим оказывается второе слагаемое.

Таким образом, выражение (3) можно записать в виде:

или

Из выражения (4) следует, что приращение температуры окружающей среды при известном ΔΦ₁(Δθ₁) определяется также длиной резонатора L и температурным коэффициентом P.

При этом очевидно, что реализации температуры могут быть различными. Так, если ΔΦ₁≅ 2π то измерение температуры осуществляется в пределах одной интерференционной полосы по амплитуде выходного сигнала. Если ΔΦ₁=K_o•2π (K₀
целое число), то измерение температуры осуществляется путем счета числа интерференционных полос.

Таким образом, возможно решение следующих задач:
измерение температуры в ограниченном диапазоне по амплитуде выходного сигнала в пределах одной интерференционной полосы (аналоговая форма сигнала);
измерение температуры в широком диапазоне по числу интерференционных полос, умноженному на цену деления одной полосы (дискретная форма сигнала);
увеличение разрешающей способности датчика (уменьшение цены деления одной полосы) в заданном диапазоне измерений.

Мультиплексное устройство измерения температуры, созданное на этих принципах, обладает возможностью решать широкий спектр задач, например, может быть реализован такой процесс измерения, при котором возможен переход от широкодиапазонных измерений к высокоточным и наоборот. Это достигается тем, что в измерительном канале размещаются последовательно два резонатора разной длины L₁, L₂. Тогда одному импульсу широкодиапазонных измерений от первого резонатора будут соответствовать L₂/L₁ импульсов от второго при L₂>L₁.

Для оценки величины Δθ₁ соответствующей одной интерференционной полосе, рассмотрим в качестве примера волоконный световод из оплавленного кварца, у которого P 107 рад/м• град. При L 3.5 мм, ΔΦ₁(Δθ₁)=2π, получим Δθ₁=19,5 ... 11,1 град. Соответственно, при L 30.50 мм Δθ₁=1,95 ... 1,11 град.

На фиг.1 представлена схема волоконно-оптического мультиплексного устройства для измерения температуры, где 1 источник когерентного оптического излучения, 2 импульсный модулятор, 3 оптический изолятор, 4 - волоконно-оптический разветвитель, 5 волоконный световод, 6 оптическая линия задержки, 7 чувствительный элемент, 8, 9 отражатели первого резонатора, ближайшего к разветвителю, 10 полупрозрачный отражатель, 11, 12 отражатели второго резонатора, 13 фотоприемник, 14 блок обработки сигнала.

Устройство содержит N измерительных каналов. Каждый измерительный канал, оптически через волоконный световод соединенный с разветвителем 4, содержит чувствительный элемент 7, выполненный в виде подложки из материала с высоким коэффициентом теплопроводности и низкой теплоемкостью, на которой размещается волоконный световод со встроенными резонаторами и отражателями. Все каналы через разветвитель 4 связаны с фотопремником 13 и блоком обработки сигналов 14.

На фиг.2 показана временная диаграмма для фотооткликов i(t) волоконно-оптического мультиплексного устройства для измерения температуры, содержащего три измерительных плеча.

Время задержек t₁, t₂, t₃ выбирается таким образом, чтобы различить фотоотклики от чувствительных элементов каждого измерительного плеча, т.е. t₁<t₂<t₃. Для системы, содержащей N измерительных плеч, это соотношение будет t₁<t₂<t₃<.<t_N.

Для того, чтобы за время периода модуляции T осущесвить опрос всех измерительных каналов, необхолимо, чтобы при t₁<t₂<.<t_N выполнялось условие t_N<T.

Время задержки определяется оптической длиной L_i плеча и находится из формулы:

где C скорость света;
n показатель преломления волоконного световода.

Для того, чтобы фотоприемник зарегистрировал серию из трех импульсов от чувствительного элемента, измерительного плеча с интенсивностями J_AB, J_С, и J_ДЕ, необходимо осуществить задержку между этими импульсами.

Если t_з1 время задержки первого импульса, t_з2 время задержки второго импульса, то t_з1<t_з2.

Аналогично время задержки t_зi определяется по формуле:

где l_1,2 длины волоконных световодов между полупрозрачным отражателем С и резонаторами АВ и ДЕ, соответственно.

Устройство работает следующим образом.

Сигнал от источника 1 оптического излучения модулируется с помощью модулятора 2, например, меандром или другим импульсным помехоустойчивым кодом и через оптический изолятор, пропускающий излучение только в одном направлении, поступает на волоконный разветвлитель 4. После разветвителя мощность оптического сигнала (E₀)² распределяется по измерительным плечам, имеющим оптические задержки t₁, t₂ t_N. Из разветвителя 4 световая волна поступает в измерительные плечи.

При этом соотношение J₁ J₂ J_N qJ₀,
где J₀ интенсивность импульса источника излучения;
J₁, J₂,J_N интенсивности импульсов на входе в измерительный канал;
q коэффициент пропорциональности.

После отражения от резонатора АВ, полупрозрачного отражателя С и резонатора ДЕ фотоприемник 13 зарегистрирует серию из трех разделенных во времени импульсов с интенсивнестью J_АВ, J_С, J_ДЕ. Пренебрегая незначительными потерями в полупрозрачных отражателях и отрезках световодов ВС и CД, имеем:
J_АВ qJ₀R_АВ; J_C qJ₀(1-R_АВ)²r; J_ДЕ qJ₀(1-R_AB)²(1-r)²R_ДЕ.

R_AB определяется формулой (1);
В начальный момент измерения t₁ при температуре окружающей среды θ₁ из выражения (2), определяемого как отношение J_AB/J_C, определяется фаза Φ_AB колебаний в резонаторе AB, формирующая R_AB. Из соотношения импульсов J_ДЕ/J_C (1-r)²R_ДЕ/r(1-R_AB)² определяется аналогично фаза колебаний Φ_DE формирующая R_ДЕ.

Температурное изменение фазы Φ_AB и Φ_DE в волоконно-оптическом интерферометре Фабри-Перо представлено формулами (3), (4), (5), связывающими приращение температуры Δθ₁ с соответствующим набегом фазы Φ_AB,DE за время Δt₁.

Имеем:

где L_AB,ДЕ длины резонаторов AB и ДЕ.

Учитывая возможность варьировать длину резонаторов в предлагаемой мультиплексной системе измерения температуры, длины резонаторов AB и ДЕ выбраны так, что выполняется соотношение:

где Z целое число.

Так как в интерферометрическом способе измерения температуры наибольшее значение ΔΦ_AB и ΔΦ_DE не превышает 2π то заданные значения L_AB, L_ДЕ формируют и определенное отношение Dq_DE/Δθ_AB.

Иными словами, в пределах одной интерференционной полосы диапазон температур, измеряемых с помощью резонатора с меньшей длиной, больше диапазона температур, измеряемых резонатором большей длины, во столько раз, во сколько одна длина резонатора больше другой:

Отсюда следует, что в предлагаемом устройстве одновременно с измерением температуры в широком диапазоне (с малой чувствительностью) реализуется процесс измерения в узком диапазоне с высокой чувствительностью.

Как уже отмечалось выше, при L_AB 3 мм диапазон измеряемых температур в пределах одной полосы составит Δθ_AB≈ 20 град одновременно при L_ДЕ 30 мм имеем Δθ_DE≈ 2 град в пределах одной полосы.

Задача решается аналогично, если в измерительных плечах размещаются три и более резонаторов.

Таким образом, в предложенном мультиплексном устройстве возможно измерение температуры в двух и более диапазонах путем размещения в измерительном плече двух и более резонаторов, при этом длина большего резонатора кратна длине наименьшего резонатора.

Кроме того, измерение температуры осуществляется с высокой точностью. Основные источники погрешности (нестабильности источника излучений, дрейф чувствительности фотоприемника и параметров волоконно-оптического тракта) компенсируются за счет формирования отношения сигналов от соответствующего резонатора (J_AB, J_ДЕ) и отражателя J_C, представленного выражением (2).

Сущность изобретения: устройство содержит источник когерентного излучения, импульсный модулятор 2, оптический изолятор 3, волоконно-оптический разветвитель 4, N измерительных каналов, в каждом из которых имеется по крайней мере два резонатора (АВ, ДЕ) Фабри-Перо. Между резонаторами, образованными полупрозрачными отражателями и отрезком одномодового световода, размещен полупрозрачный отражатель С. Длина каждого резонатора кратна целому числу длин наименьшего резонатора. Изобретение позволяет осуществлять измерение температуры в двух и более диапазонах, по числу резонаторов. 2 ил.

Волоконно-оптическое мультиплексное устройство для измерения температуры, содержащее источник когерентного излучения, импульсный модулятор, оптический изолятор, связанный с источником излучения, волоконно-оптический разветвитель на N измерительных каналов, каждый из которых содержит резонатор Фабри Перо, образованный полупрозрачными отражателями из нескольких слоев полупрозрачного материала и отрезком одномодового световода между ними, фотоприемник и блок обработки сигнала, отличающееся тем, что каждый измерительный канал дополнительно снабжен по крайней мере одним резонатором, между первым и вторым резонаторами канала размещен полупрозрачный отражатель, а длина каждого резонатора кратна целому числу длин наименьшего резонатора.