УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ИЗМЕНЕНИЯ ОПТИЧЕСКОЙ ДЛИНЫ ВОЛОКОННОГО ИНТЕРФЕРОМЕТРА Российский патент 1997 года по МПК G01B11/02 G01B9/00 

Изобретение относится к области волоконно-оптических измерительных устройств и датчиков.

В фазовых волоконно-оптических датчиках информация об измеряемом воздействии содержится в изменении фазового набега оптического излучения в волоконном интерферометре Φ_и(Φ_и= L_и•β_и, где L_и длина интерферометра, β_и - постоянная распространения) или, что эквивалентно, в изменении его оптической длины L_o(L_o= Φ_и•λ/2π где λ длина световой волны в вакууме).

Известно устройство для регистрации изменения оптической длины чувствительного плеча интерферометра Маха-Цендера [1] содержащее фотоприемник, электронные блоки обработки, фазовый модулятор, установленный на опорном плече интерферометра, поляризаторы. В работе устройства используется принцип удержания постоянной разности оптических длин чувствительного и опорного плеч интерферометра за счет компенсирующего воздействия фазового модулятора на опорное плечо. Изменение оптической длины чувствительного плеча интерферометра пропорционально компенсационному сигналу.

Известно устройство [2] для регистрации оптической длины волоконного интерферометра Фабри-Перо, содержащее фотоприемник, модулятор, электронные блоки формирования модулирующих сигналов и обработки сигналов с выхода фотоприемника. В работе устройства используется вспомогательная двухчастотная модуляция фазы оптического излучения с кратными частотами и амплитудами определенной величины. За счет выделения на выходе фотоприемника сигналов комбинационных частот и специальной обработки обеспечивается регистрация изменения оптической длины волоконного интерферометра.

Известно устройство [3] для регистрации изменения оптической длины волоконного интерферометра, содержащее фазовый модулятор, установленный на интерферометре, фотоприемник, блок формирования и обработки сигналов, подключенный к выходу фотоприемника и модулятору. В работе устройства используется вспомогательная одночастотная модуляция фазы оптического излучения. Электронный блок выделяет из выходного сигнала фотоприемника квадратурные сигналы, совместная обработка которых позволяет регистрировать величину и направления изменения оптической длины волоконного интерферометра.

В качестве прототипа выбрано измерительное устройство [4] содержащее волоконный интерферометр, световод, подводящий оптическое излучение от источника к интерферометру, фотоприемник, модулятор фазы света и электронный блок формирования и обработки сигналов. С помощью фазового модулятора обеспечивается вспомогательная модуляция, необходимая для регистрации показаний, а также воздействие, компенсирующее температурный дрейф сигнала интерферометра.

Недостатком этого устройства (и аналогичных устройств) является то, что в объем измерительного элемента необходимо вводить модулятор пьезокерамические (или другие) компоненты и подавать электрические сигналы. При измерении высоких температур пьезокерамика может деполяризоваться, что приведет к снижению эффективности модулятора. Электрические сигналы нежелательны в легковоспламеняющихся средах. Также они могут создавать электромагнитные помехи в объекте измерения, и наоборот, электромагнитные поля в объеме измерений могут создавать помехи для устройства регистрации.

Предлагаемое решение позволит расширить область применения устройств регистрации сигнала волоконно-оптического интерферометра путем обеспечения возможности исключения из интерферометра элементов, требующих подачи электрических сигналов и, соответственно, возможности удаления чувствительного элемента датчика от активных оптоэлектронных элементов.

Для этого в измерительном устройстве [4] содержащем подводящий световод, волоконный интерферометр, фазовый модулятор, фотоприемник, блок формирования и обработки сигналов, подключенный к выходу фотоприемника и модулятору, фазовый модулятор установлен в подводящем световоде, а не в интерферометре, фиг.1. Устройство регистрации использует модуляцию фазы оптического излучения в подводящем волокне (которая, как показано далее, обеспечивает модуляцию сигнала интерферометра, необходимую для регистрации) и пассивный волоконный интерферометр и тем самым исключает указанные недостатки и позволяет реализовать дистанционные волоконно- оптические интерферометры измерения, фиг. 2.

Возможны различные варианты построения оптической схемы предлагаемого устройства. Рассмотрим регистрацию сигнала волоконно- оптического интерферометра на примере волоконного интерферометра Фабри-Перо.

Блок-схема устройства показана на фиг.1. Первый отрезок волокна 1 оптически соединен с входом волоконного интерферометра 2, выход которого соединен с входом фотоприемника 3. Фазовый модулятор 4 установлен на первом отрезке волокна. Электронный блок формирования 5 и обработки сигналов подключен к модулятору и выходу фотоприемника.

На фиг.2 изображена схема волоконно-интерферометрического датчика на основе пассивного чувствительного интерферометра и вспомогательной модуляции фазы света в подводящем волокне, в котором для удаления чувствительного элемента от активных компонентов использован световод, отводящий излучение от интерферометра к фотоприемнику. Приведенная схема состоит из блока активных оптоэлектронных устройств 1, волоконного тракта 2, чувствительного элемента 3, лазера 4, модулятора фазы 5, подводящего световода 6, отводящего световода 7, чувствительного интерферометра 8, фотоприемника 9, блока формирования и обработки сигналов.

Модулирующий сигнал с частотой W сформированный блоком формирования и обработки сигналов 5, подается на волоконный модулятор фазы 4 (например пьезокерамический), расположенный на первом подводящем отрезке волокна 1. Действие фазового модулятора описывается выражением:
v = βL = Φ_o+δΦsinΩt, (1)
где Φ фазовый набег оптического излучения в волокне, b постоянная распространения, L длина волокна, W частота модуляции, задаваемая блоком 6, v_o "начальная" фаза фаза при отсутствии модуляции, δΦ амплитуда фазовой модуляции.

Производная dΦ/dt определяет приращение частоты света Δω [5]

Частотные сдвиги оптической несущей в подводящем волокне преобразуются волоконным интерферометром Фабри-Перо 2 в изменения интенсивности света. Переменная составляющая интенсивности сигнала на выходе волоконного интерферометра Фабри-Перо с невысокой добротностью имеет вид:
I = Acos2βL_и= AcosΦ_и, (3)
где I переменная составляющая интенсивности сигнала на выходе интерферометра, A постоянный коэффициент, зависящий от оптической схемы датчика. Постоянная распространения β зависит от частоты оптического излучения. Поэтому наличие частотной модуляции (2) света на входе волоконного интерферометра с частотой W приводит к модуляции b и соответственно v_и:

где β_o значение постоянной распространения при отсутствии модуляции,
n показатель преломления сердцевины волокна.

Т.о. на выходе интерферометра в соответствии с (3,4):

где J_k(x) функция Бесселя первого рода, k-го порядка.

Модулированное по интенсивности оптическое излучение поступает (в дистанционном варианте через световод 6) на фотоприемник 4, который регистрирует интенсивность света I.

В результате получен сигнал интерферометра со вспомогательной гармонической модуляцией (5), используемой для регистрации. Далее, обрабатывая модулированный сигнал интерферометра (например так же как в [3] отфильтровав и совместно обрабатывая первую и вторую гармоники сигнала (5), или другими известными методами) можно регистрировать величину и направление изменения , т.е. регистрировать воздействия на чувствительный элемент датчика.

Следует отметить, что за счет отражений на торцах подводящего волокна также может образоваться интерферометр Фабри-Перо, который при модуляции фазы оптического излучения модулятором даст паразитный сигнал на выходе подводящего волокна:
I₁= A₁cos(Φ_o+δΦcosΩt), (6)
первая и вторая гармоники которого являются помехой. Но, во-первых, при больших L сигнал интерферометра Фабри-Перо становится пренебрежимо мал из-за потерь и ограниченной когерентности лазера, во-вторых, при большой амплитуде фазовой модуляции δΦ (а именно это необходимо для получения достаточной девиации частоты dw) низшие гармоники сигнала интерферометра крайне малы, в-третьих, при необходимости интерферометр на подводящем волокне можно исключить за счет "просветления" торцов световода.

Таким образом, при использовании описанного выше устройства возможно исключение из чувствительного элемента компонентов, требующих подачи электрических сигналов,и, соответственно, реализация волоконно-оптического интерферометрического датчика с пассивным чувствительным элементом, удаленным на значительное расстояние от источника оптического излучения, фотоприемника и устройства обработки сигналов.

Источники информации
1. У.В.Валиев, Джабер Хуссейн А.Р.Аль-Асади, И.Р.Микулин, А.В.Хайдаров. Простой волоконно-оптический датчик для измерения слабых магнитных полей на основе гомодинного интерферометра Маха- Цендера. Квантовая электроника, т. 20, 1993, N5, c.517 519.

2. S. P. Ginevsky, O.I.Kotov, A.V.Medvedev, V.M.Nikolaev, V.N.Filippov. Fiber Optic Interferometric Sensors Using a Novel Signal Detection Technique. Proc. ISFOC-91, March 25-29, 1991, Leningrad, USSR, p.309 312.

3. О.И.Котов, А.В.Медведев, В.М.Николаев. А.С. N1528518, БИ N46, 1989.

4. Окоси Т. и др. Волоконно-оптические датчики. Энергоатомиздат. Ленингр.отд. 1991, 256 с. ил.

И.С.Гоноровский. Основы радиотехники. М. Радио и связь, 1957.

Сущность изобретения: устройство для регистрации изменений оптической волны волоконного интерферометра содержит фазовый модулятор, фотоприемник, блок формирования и обработки сигналов, подключенный к выходу фотоприемника и модулятору, и два отрезка волокна, причем первый отрезок расположен перед волоконным интерферометром и предназначен для передачи оптического излучения к входу волоконного интерферометра, второй отрезок расположен между волоконным интерферометром и фотоприемником и предназначен для передачи оптического излучения от выхода волоконного интерферометра к входу фотоприемника, а фазовый модулятор установлен на первом отрезке волокна. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для регистрации изменения оптической длины волоконного интерферометра, содержащее подводящее оптическое волокно, оптически связанное с входом волоконного интерферометра, выход которого оптически связан с фотоприемником, модулятор и блок формирования и обработки сигнала, подключенный к выходам фотоприемника и модулятора, отличающееся тем, что модулятор установлен на подводящем оптическом волокне. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что выход волоконного интерферометра оптически связан с входом фотоприемника через отводящее оптическое волокно.