ДВУХКАНАЛЬНЫЙ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ СВЧ-МОЩНОСТИ Российский патент 1997 года по МПК G01R21/00 

Изобретение относится к дифференциальным волоконно-оптическим средствам измерения температуры и приводимых к ней физических параметров и может быть использовано для измерений СВЧ проходящей мощности в волноводных трактах различных радиопередающих устройств.

Известные волоконно-оптические измерители физических параметров, содержащие генератор оптического излучения, оптически соединенный с двумя волоконно-оптическим датчиками (ВОД), оптические выходы которых соединены с оптоэлектронной схемой дифференциальной обработки сигналов датчиков. (Жилин В. Г. Волоконно-оптические измерительные преобразователи скорости и давления. М. Энергоатомиздат, 1987 с.112 (с. 100-102). Недостатком таких измерителей является необходимость одинаковой температуры элементов каждого из двух измерительных аналов, что невозможно при построениях двухканальных измерителей параметров, приводимых именно к температуре, когда различия в температуре принципиально необходимы.

Известен двухканальный волоконно-оптический измеритель температуры, содержащий генератор оптического излучения, оптически соединенный с входом оптического разветвителя, два ВОД, первый выход разветвителя связан со входом первого волоконно-оптического датчика, световедущая жила которого изогнута с радиусом R₁, а второй выход оптического разветвителя связан со входом второго волоконно-оптического датчика, световедущая жила которого изогнута с радиусом R₂; кроме того выходы обоих волоконно-оптических датчиков связаны с соответствующими входами опто-электронной схемой обработки сигналов (Рябов А. С. и др. Волоконно-оптический термометр. Приборы и техника эксперемента, 1987, N 1, с. 215 218). Hедостатком устройства является отсутствие линейности разностного сигнала датчиков из-за различия изменения чувствительности двух датчиков, воспринимающих разные температуры в каждой точке измерения вследствие нелинейности функции преобразования этого типа датчиков и принципиального различия воспринимаемых ими температур, которые приводят к возникновению дополнительных аддитивных и мультипликативных помех, снижающих точность измерения.

Сущность изобретения состоит в том, что в двухканальном волоконно-оптическом измерителе СВЧ мощности, содержащий генератор оптического излучения, соединенный со входом оптического разветвителя, два волоконно-оптических датчика СВЧ мощности, каждый из которых содержит волоконный световод с изогнутым под радиусом R чувствительным участком со снятой оболочкой, помещенным в термооптическую среду, причем первый выход оптического разветвителя связан со входом первого волоконно-оптического датчика, световедущая жила которого изогнута с радиусом R₁, а второй выход оптического разветвителя связан со входом второго волоконно-оптического датчика, световедущая жила которого изогнута с радиусом R₂, кроме того выходы обоих волоконно-оптических датчиков связаны с соответствующими входами оптоэлектронной схемы обработки сигналов, отличающийся тем, что в него введены два корпуса, в которых установлены первый и второй датчик, а радиус изгиба световедущей жилы первого волоконно-оптического датчика больше радиуса изгиба световедущей жилы второго волоконно-оптического датчика, кроме того во второй волоконно-оптический датчик введен проводящий отражающий материал, выполненный либо в виде нанесенного покрытия на диэлектрический корпус или на границу термооптической среды, либо в виде объемной примеси в термооптическую среду в областях, оптически связанных с чувствительным участком.

Уменьшение радиуса изгиба второго волоконно-оптического датчика приводит к снижению чувствительности датчика за счет больших потерь оптического излучения при прохождении чувствительного участка в сравнении с первым датчиком, однако введение во второй датчик отражающего проводящего материала позволяет компенсировать эти потери дополнительным обратным отражением вышедшего из чувствительного участка излучения. Таким образом оба датчика имеют идентичные функции преобразования, несмотря на них нелинейность, т.е. одинаковые изменения чувствительности к температуре в рабочем диапазоне измерения СВЧ мощности.

Введение отражающего проводящего материала в виде отражающих покрытий или пространственного распределения в термооптическом покрытии объемного слоя частиц проводящего материала позволяет, во-первых, увеличить интенсивность выходного оптического сигнала чувствительного элемента за счет переотражения части оптического излучения, вышедшего из изогнутой части чувствительного элемента, и возврата его в световодную структуру световедущая жила термооптическое покрытие, а во-вторых, увеличить чувствительность к измеряемому параметру за счет преобразования воздействующей СВЧ мощности в тепло, выделяемое в проводящем материале, сопровождающееся изменениями температуры чувствительного элемента, которые и приводят к модуляции выходного оптического сигнала
Указанные два связанные друг с другом фактора определяют не только увеличение выходного оптического сигнала, но и увеличение чувствительности ВОД СВЧ мощности, т. к. характеристика ВОД с изогнутым чувствительным элементом нелинейна [2] При той же чувствительности возможно снижение интенсивности входного оптического излучения, что повышает надежность генератора оптического излучения, или при том же уровне входного оптического излучения наблюдается увеличение чувствительности или снижение порога чувствительности к измеряемой СВЧ мощности.

Введение герметичного корпуса и нанесение проводящего отражающего покрытия на внутреннюю поверхность полости корпуса позволяют дополнительно повысить надежность за счет исключения воздействия внешних факторов на покрытие.

Применение формы отражающего покрытия в виде тела вращения второго порядка позволяет увеличить количество возвращаемой в чувствительный участок оптической мощности за счет свойств тел вращения второго порядка.

Нанесение проводящего материала в виде объемного распределенного слоя отражающих частиц повышает технологичность и надежность термооптического покрытия при сохранении отражающих оптических свойств на требуемом уровне.

Применение в качестве термостатического материала термооптической жидкости, залитой в герметичный корпус, позволяет не только расширить диапазон измерения за счет большого выбора термооптических жидкостей в сравнении с термооптическими твердыми материалами, но и точно управлять положением динамического диапазона измеряемой величены путем использования в случае необходимости смесей термооптических жидкостей.

Возможность осуществления изобретения определяется широким распределением и доступностью технологии нанесения отражающих сосредоточенных и распределенных металлических покрытий, которые широко применяются практически во всех технологических процессах микроэлектронных приборов (Черняев В. H. Физико-химические процессы в технологии РЗА. М. Высшая школа, 1987, с. 376) и реализуется с использованием различных методов осаждения пленок.

На чертеже приведена схема двухканального волоконно-оптического материала СВЧ-мощность, где обозначены: оптический генератор 1, оптический разветвитель 2, датчик 3 и 4, устанавливаемые в волноводе, оптоэлектронная схема 5 отработки, волоконный световод 6, чувствительный участок 7 в виде изогнутой световедущей щели, термо-оптическое покрытие 8, отражающий проводящий материал 9.

Возможность осуществления изобретения определяется наличием технологий изготовления изогнутых датчиков с различными радиусами изгиба [1] и технологий изготовления покрытий из металлов различных типов.

В исходном состоянии в отсутствие измеряемой СВЧ-мощности оптический генератор 1 излучает мощность P_вx, которая поступает на вход оптического разветвителя 2 и разделяется на две равные части, т.е. P_вхI=P_вхII. Эти части мощности поступают на выходы оптических датчиков 3 и 4, которые при прохождении чувствительного участка уменьшаются за счет выхода его части на участке изгиба из-за френелевских потерь на границах световедущая жила термооптическое покрытие и термооптическое покрытие - металл или термооптическое покрытие воздух. Однако при этом часть излучения, возвращаясь путем отражения либо от слоя 8 или 9, создает исходный уровень выходной оптической мощности U_вых= 0. В чувствительных участках двух датчиков наблюдается одинаковое ослабление этих сигналов, т. к. во втором, несмотря на меньший радиус изгиба, происходит соответствующее возвращение вышедшего из световедущей жилы излучения на выход датчика, так, что P_выхI P_выхII и на выходе оптоэлектронной схемы отработки V_вых 0. И этот сигнал не зависит от температуры окружающей среды.

При наличии измеряемой СВЧ-мощности, например W₁, т. е. при воздействии измеряемой СВЧ-мощности в ВОД происходит двойное энергетическое преобразование физических параметров. Проходящая СВЧ-мощность вызывает выделение тепла в проводящем материале, которое, изменяя показатель преломления термооптического покрытия 3, приводит к изменению уровня выходной оптической мощности P_вых, т. к. изменения показателя преломления приводит к амплитудной модуляции оптического излучения из-за изменения френелевских потерь на ранее указанных оптических границах. Во втором датчике за счет введенного проводящего материала в термооптическое покрытие происходит дополнительное выделение тепла по сравнению с первым датчиком, поэтому температуры их чувствительных элементов становятся различными, однако благодаря идентичности исходных характеристик двух датчиков характеристика второго датчика смещается имея ту же чувствительность, что и у первого датчика, т. е. параллельно вверх в системе P_вых f_(W) на величину, пропорциональную действующей мощности W_I, при которой разностный сигнал ΔP_вых1 пропорционален W_I. При изменении измеряемой СВЧ-мощности, например до величены W₂, происходит дальнейшее смещение на величину ΔP_вых2, однако и в этом случае изменения чувствительности двух датчиков одинакова. Следовательно, ΔP_вых2~ W₂.

Таким образом в заданном диапазоне измеряемых СВЧ-мощностей имеется зависимость U_вых f_(W), которая близка к линейной.

В случае конкретного исполнения измерителя входящие в него ВОД с радиусами изгиба кварцевого световода 50/125 мкм порядка R₁ 2,0 мм, R₂ 1,5 мм и нанесенным на изогнутый участок световедущей жилы термооптического компаунда типа СИЭЛ световод с изогнутым участком был помещен в корпусе в виде кварцевой трубки диаметром 5 мм с запаянным концом в форме тела вращения. На внутреннюю поверхность корпуса второго датчика было нанесено покрытие из алюминия толщиной 0,5 мкм, оптически связанное с изогнутым участком. Нанесение покрытия позволило увеличить уровень выходной оптической мощности на 25-30% компенсирующие потери за счет уменьшенного радиуса изгиба.

Оптический генератор реализован на светодиоде ИЛИH-30I-I, а оптический разветвитель Y-типа обеспечил 50% разделение оптической мощности, поступающей на входы двух датчиков, на выходах которых имеются оптические сигналы с повышенной линейностью на 20-25% что повышает линейность сигнала на выходе оптоэлектронной схемы.

Использование: к дифференциальным волоконно-оптическим средствам измерения температуры. Двухканальный волоконно-оптический измеритель СВЧ-мощности содержит генератор оптического излучения, соединенный со входом оптического разветвителя, два волоконно- оптических датчика СВЧ-мощности, каждый из которых содержит волоконный световод с изогнутым с радиусом R чувствительным участком со снятой оболочкой, помещенным в термооптическую среду, причем первый выход оптического расветвителя связан со входом первого волоконно-оптического датчика, световедущая жила которого изогнута с радиусом R₁, а второй выход оптического разветвителя связан со входом второго волоконно-оптического датчика, световедущая жила которого изогнута с радиусом R₂, кроме того выходы обоих волоконно-оптических датчиков связаны с соответствующими входами оптоэлектронной схемы обработки сигналов. Отличается предлагаемый волоконно-оптический измеритель СВЧ-мощности тем, что в первый и второй датчик дополнительно введен корпус, а радиус изгиба световедущей жиды первого волоконно-оптического датчика больше радиуса изгиба световедущей жилы второго волоконно-оптического датчика, кроме того во второй волоконно-оптический датчик введен проводящий отражающий материал, выполненный либо в виде нанесенного покрытия на диэлектрический корпус или на границу термооптической среды, либо в виде объемной примеси в термооптическую среду в областях, оптически связанных с чувствительным участком. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Двухканальный волоконно-оптический измеритель СВЧ-мощности, содержащий генератор оптического излучения, соединенный с входом оптического разветвителя, два волоконно-оптических датчика СВЧ-мощности, каждый из которых содержит волоконный световод с изогнутым чувствительным участком со снятой оболочкой, помещенным в термооптическую среду, причем первый выход оптического разветвителя связан с входом первого волоконно-оптического датчика, световедущая жила которого изогнута с радиусом R₁, а второй выход оптического разветвителя связан с входом второго волоконно-оптического датчика, световедущая жила которого изогнута с радиусом R₂, выходы обоих волоконно-оптических датчиков связаны с соответствующими входами оптоэлектронной схемы обработки сигналов, отличающийся тем, что в него введены два корпуса, в которых установлены соответственно первый и второй датчики, во второй волоконно-оптический датчик введен проводящий отражающий материал, выполненный либо в виде покрытия, нанесенного на часть диэлектрического корпуса или на границу термооптической среды, либо в виде объемной примеси в термооптическую среду в областях, оптически связанных с чувствительным участком световода, причем R₁ > R₂. 2. Измеритель СВЧ-мощности по п. 1, отличающийся тем, что часть корпуса второго волоконно-оптического датчика имеет форму тела вращения второго порядка с осью, расположенной в пределах угла изгиба световедущей жилы.