ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН Российский патент 1999 года по МПК G01B11/00 G01D5/26 

Изобретение относится к волоконно-оптическим автоколебательным системам на основе резонансного взаимодействия лазерного источника излучения с микрорезонаторной структурой (МРС) и может быть использовано при построении мультиплексной системы микрорезонаторных датчиков физических величин, например температуры, давления, ускорения и др.

Принцип мультиплексирования в таких системах основан на частотном разделении измерительных каналов, соответствующих разным МРС, резонансные частоты которых зависят от величины измеряемых физических полей, воздействующих на МРС (температуры, давления, ускорения и т.д.).

Во всех случаях частотная компонента промодулированного по интенсивности оптического сигнала, которая соответствует собственной резонансной частоте МРС, возбуждает в МРС поперечные акустические колебания, которые легко детектируются оптическим интерферометром. Оптическое самовозбуждение акустических колебаний в МРС позволяет значительно упростить построение мультиплексированной волоконно-оптической системы измерения физических величин.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по технологической сущности и достигаемому результату является волоконно-оптическая система мультиплексирования двух МРС, опубликованная в "Sensors and Actuators", A 21-A 23, 1990 г., p. 369-372 и взятая в качестве наиболее близкого аналога.

Принцип построения измерительных систем такого типа основан на частотном разделении измерительных каналов, соответствующих разным МРС, резонансные частоты которых зависят от величины измеряемых физических полей, воздействующих на МРС (температуры, давления и др.).

Конструктивно система представляет собой устройство, содержащее полупроводниковый лазер, X - разветвитель, с помощью которого излучение от полупроводникового лазера делится на два канала, два микрорезонатора, размещенных в каждом из каналов, два интерферометра Фабри-Перо, используемых в качестве отражателей в системе полупроводниковый лазер - микрорезонатор в каждом из каналов, фотодетектор, преобразующий оптическое излучение от каждого из каналов в электрический сигнал, анализатор спектра частот двухканальной системы измерений.

Измерительная система работает следующим образом. Излучение от полупроводникового лазера, распространяющееся по волоконному световоду, с помощью X - разветвителя делится на две части так, что каждая из них попадает на интерферометры Фабри-Перо, размещенные в каждом из каналов. Происходит модуляция интенсивности оптического излучения на собственной резонансной частоте соответствующего микрорезонатора, определяемой размерами микрорезонатора и его физическими свойствами.

Промодулированное излучение через X-разветвитель попадает на фотоприемник, с выхода которого электрический сигнал поступает на вход спектроанализатора.

Недостатком такой измерительной системы является то, что положение рабочей точки интерферометра Фабри-Перо в каждом из каналов нестабильно, и ее смещение зависит одновременно как от дрейфа основных характеристик микрорезонатора, так и от нестабильности источника излучения и параметров интерферометра Фабри-Перо. Улучшение характеристик измерительной системы требует принятия специальных мер, обеспечивающих стабилизацию положения рабочей точки интерферометра.

Задача, решаемая данным изобретением, заключается в разработке нового принципа построения волоконно-оптической системы измерения физических величин на основе применения волоконно-оптического лазера (ВОЛ), волоконных автоколлиматоров и МРС, а также специального блока обработки сигналов (БОС), предназначенного для мультиплексирования сигналов системы микрорезонаторных волоконно-оптических датчиков (ВОД) физических величин с частотным выходом при помощи блока управления, регулирующего ток накачки ВОЛ с целью сканирования каждого измерительного канала, работающего на своей резонансной частоте.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в волоконно-оптической системе измерения физических величин, содержащей источник оптического излучения, разветвитель, разделяющий световой поток от источника излучения на измерительные каналы, каждый из которых содержит микрорезонатор, фотоприемник, блок обработки сигнала, в качестве источника оптического излучения использован волоконно-оптический лазер с полупроводниковым лазером накачки, выполненный с возможностью возникновения автоколебаний на резонансных частотах каждого из микрорезонаторов в соответствующих дискретных зонах возбуждения, измерительные каналы включают автоколлиматоры, оптическая ось каждого из которых составляет с нормалью к отражающей поверхности соответствующего микрорезонатора заданный угол θ₁,θ₂,... , блок обработки сигнала выполнен с возможностью мультиплексирования сигналов системы микрорезонаторных волоконно-оптических датчиков физических величин с частотным выходом и связан обратной связью с блоком управления, регулирующим величину тока накачки волоконно-оптического лазера.

Суть предлагаемого технического решения заключается в следующем. Величина релаксационных колебаний f_рел волоконного лазера в общем виде описывается выражением:

где
r - относительный уровень накачки ВОЛ,
τ_ф(R,d,L) - время жизни фотона в резонаторе ВОЛ.

τ_м - время жизни метастабильного уровня активной частицы,
σ_o - площадь сечения поглощения (излучения) активной частицы,
N₀ - концентрация активных частиц в активированном световоде,
l_A - длина активированного участка волоконного лазера,
L - длина резонатора (между зеркалами),
n_A - показатель преломления сердцевины активированного участка волоконного резонатора,
n₀ - показатель преломления пассивного участка волоконного резонатора,
α - оптические потери волоконного резонатора,
R - коэффициент отражения зеркал МРС.

При заданных характеристиках волоконного резонатора и МРС значения уровня накачки r, соответствующие зоне возбуждения автоколебаний, образуют, как правило, две подзоны, состоящие из областей "мягкого" и "жесткого" возбуждений.

Отметим, что режимы резонансной автомодуляции в системе волоконный лазер - микрорезонаторная структура (ВОЛ-МРС) может иметь место при различных способах реализации оптической обратной связи (ООС) между ними, т.е. в качестве отражателей МРС могут применяться как интерферометры Фабри-Перо, так и автоколлиматорные системы на основе МРС.

Из выражения (1) следует, что если реализована некоторая мультиплексная система ВОЛ-МРС i (i - 1,2,...n), содержащая один ВОЛ и несколько МРС в условиях близких значений оптических характеристик и эффективностей оптического возбуждения МРС, то можно ожидать, что при выполнении резонансных условий будем иметь:

где f_{p1,2,. ...n} - резонансные частоты автоколебаний. При этом каждой резонансной частоте присуща соответствующая дискретная зона существования этих автоколебаний : и т.д. Таким образом, известные значения относительного уровня накачки r, при которых возникают автоколебания, позволяют однозначно установить соответствие между уровнем накачки и зонами возбуждения автоколебания при r ∈ O₁ возбуждены автоколебания МРС₁, при r ∈ O₂ возбуждены автоколебания МРС₂ и т.д.

Основным параметром предлагаемой оптической системы, наиболее важным с теоретической и практической точки зрения, является число измерительных каналов, которые эта система объединяет. Именно оно обосновывает требования к основным характеристикам системы с целью определения необходимых параметров элементов оптической схемы, обеспечивающих режим самовозбуждения автоколебаний на частотах, соответствующих главным резонансам системы рассматриваемого типа, т.е. f_р ≈ f_рел. Для данной системы следует оценить параметры:
- ВОЛ,
- волоконно-оптического мультиплексора на основе разветвителей (ВМ),
- волоконно-оптических автоколлиматоров на основе градиентных стержневых линз (ВА_1-8),
- отрезков одномодовых световодов с длинами L_1-8,
- чувствительных элементов микрорезонаторных датчиков МРС_1-8.

Разработанный и изготовленный лабораторный макет с 8 измерительными каналами имеет следующие характеристики:
- ВОЛ ( λ_н = 1,54 мкм) обеспечивает на выходе до 40 мВт средней мощности при пороговом токе накачки полупроводникового лазера ( λ_p = 0,98 мкм) 110 мА,
- ВМ сохраняет характеристики в диапазоне температур (-30...+80^oC), вносимые потери ≤ 0,2 дБ,
- внешний диаметр автоколлиматоров не превышает 2,5 мм, корпус - из никеля, что позволило закрепить градиентные стержневые линзы с помощью технологии сварки (без измерения клеевых соединений),
- длины одномодовых отрезков L₁= 10 м, L₂=20 м, L₃=30 м ... L₈=80 м, ослабление сигнала при прохождении 8 каналов находились в интервале 10-14 дБ,
- МРС_1-8 изготовлены в соответствии с известными технологиями.

На фиг.1 представлена схема восьмиканальной волоконно-оптической системы измерения физических величин, где 1 - ВОЛ, служащий в качестве источника излучения, 2 - полупроводниковый лазер (ПЛ) накачки ВОЛ, 3 - волоконно-оптический мультиплексор на основе разветвителей, с помощью которого излучение от ВОЛ разделяется на 8 измерительных каналов и направляется к фотоприемнику, 4 - измерительные головки (ИГ) в каждом из каналов, образованные волоконным автоколлиматором ВА_1-8 и микрорезонаторной структурой МРС_1-8, 5 - фотоприемник, регистрирующий сигналы от 8 измерительных каналов, 6 - блок обработки сигналов, электрически связанный с фотоприемником ФП 5, 7 - блок управления (БУ), регулирующий величину тока накачки ВОЛ 1, 8 - отражающее зеркало ВОЛ с коэффициентом отражения 100%. ВОЛ 1 выполнен с возможностью возникновения автоколебаний на резонансных частотах каждого из микрорезонаторов в соответствующих дискретных зонах возбуждения. Оптическая ось каждого автоколлиматора составляет с нормалью к отражающей поверхности микрорезонатора заданный угол θ_i . Блок обработки сигналов 6 выполнен с возможностью мультиплексирования сигналов системы микрорезонаторных волоконно-оптических датчиков физических величин с частотным выходом и связан обратной связью с блоком управления 7, сопряженным с ПЛ 2.

Устройство работает следующим образом.

Перед началом измерений в силу известных значений относительного уровня накачки, при которых возникают автоколебания в каждом из каналов мультиплексной системы, однозначно устанавливается соответствие между уровнем накачки и зонами возбуждения разных микрорезонаторных структур МРС_1,2...: при r ∈ O₁ возбуждаются автоколебания МРС₁, при r ∈ O₂ , возбуждаются автоколебания МРС₂ и т.д.

При достижении значения , соответствующего моменту времени , в системе возбуждаются автоколебания с частотой F₁ ≈ f_р1 (первый канал), которые срываются в момент времени , соответствующий уровню накачки . В течение интервала времени от до система находится в невозбужденном состоянии. Далее в момент времени, соответствующий уровню накачки , возбуждаются автоколебания с частотой F₂ ≈ f_p2 (второй канал), которые срываются в момент времени . После опроса восьмого канала уровень накачки изменяется до исходного значения и происходит повторение цикла измерения. Таким образом, сканированием уровня накачки волоконно-оптического лазера осуществляется последовательное возбуждение и опрос автоколебаний в системе, что позволяет реализовать мультиплексирование микрорезонаторных волоконно-оптических датчиков. Соответствующие частоты f_p1, f_p2...f₈ детектируются с помощью ФП 5.

Каждый измерительный канал может нести соответствующую информацию о параметрах исследуемых физических полей температуры, давления и т.п. Иными словами, каждый измерительный канал - суть волоконно-оптический датчик физических величин с частотным выходом.

Сигнал с ФП 5 поступает на блок обработки сигналов БОС 6, предназначенный для мультиплексирования сигналов системы микрорезонаторных ВОД физических величин с частотным выходом при помощи блока управления БУ 7. Блок обработки сигналов 6 предназначен также для преобразования получаемых от датчиков сигналов, разделенных во времени, в цифровой код, дальнейшей математической обработки результатов измерений, приведения их к требуемому виду, выводу на устройства отображения и внешние вычислительные устройства, согласно протоколам соответствующих интерфейсов.

Схема БОС 6 работает под управлением микроЭВМ согласно заданному алгоритму, что позволяет гибко адаптировать работу устройства для конкретного применения.

Принцип работы БОС 6, связанной с микрорезонаторным ВОД с частотным выходом, заключается в следующем. Период сигнала входной частоты вычисляется микроЭВМ по формуле:

N_t - число импульсов тактовой частоты,
T_t - период тактового импульса,
N_i - число импульсов входной частоты.

Подсчет импульсов входной частоты осуществляется за время, кратное периоду входной частоты, длительность которого определяется требованиями по быстродействию и точности преобразования. Одновременно подсчитывается и число импульсов входной частоты по сигналу "окно счета", разрешающему работу схеме подсчета этих импульсов. Таким образом, выражение в числителе с определенной погрешностью повторяет временной интервал "окно счета", в который укладывается целое число импульсов входной частоты N_i.

Блок управления представляет собой прецизионный цифроаналоговый преобразователь с источником стабильного опорного напряжения, выходной сигнал которого используется для регулирования тока накачки ВОЛ с целью мультиплексирования сигналов системы ВОД с частотным выходом.

Время установления тока накачки ВОЛ при изменении управляющего воздействия со стороны БУ не превышает 2 мс. На этот интервал вводится задержка начала очередного измерения частоты сигнала, поступающего с ФП, что позволяет исключить ошибку измерения, связанную с перестройкой на рабочую частоту следующего датчика мультиплексной системы.

Блок управления 7 вырабатывает выходное напряжение в соответствии с кодом, полученным от БОС 6 по последовательному синхронному интерфейсу. Преобразование код-напряжение выполняется в соответствии с выражением:

где U_out - выходное напряжение,
U_ref - эталонное напряжение,
N_max - максимальное возможное число комбинаций,
N - число, задаваемое БОС (N<N_max).

N_max определяется разрядностью преобразователя, U_ref задает размах выходного напряжения. Число N задается в зависимости от требуемого тока накачки ВОЛ для работы на определенной частоте, т.е. для каждой конкретной измерительной головки существует соответствующее число N, устанавливаемое и запоминаемое при проведении процедуры при проведении процедуры калибровки системы.

Количество каналов измерения в организованной таким образом системе ограничивается только диапазоном изменения выходной частоты каждой измерительной головки (ИГ) под влиянием измеряемого воздействия, т.к. каждая ИГ работает на своей частоте, сканируемой током накачки ВОЛ, который устанавливается при помощи БУ.

Таким образом, изобретение позволяет улучшить характеристики измерительной системы за счет повышения ее стабильности.

Система используется в волоконно-оптических автоколебательных системах на основе резонансного взаимодействия лазерного источника излучения с микрорезонаторной структурой при построении мультиплексной системы микрорезонаторных датчиков физических величин, например температуры, давления, ускорения и др. Сигнал с фотоприемника поступает на блок обработки сигналов, предназначенный для мультиплексирования сигналов системы микрорезонаторных волоконно-оптических датчиков физических величин с частотным выходом при помощи блока управления. Блок управления представляет собой прецизионный цифроаналоговый преобразователь с источником стабильного опорного напряжения, выходной сигнал которого используется для регулирования тока накачки волоконно-оптического лазера с целью мультиплексирования сигналов системы волоконно-оптических датчиков с частотным выходом. Количество каналов измерения в системе ограничивается диапазоном изменения выходной частоты каждой измерительной головки под влиянием измеряемого воздействия. Каждая измерительная головка работает на своей частоте, сканируемой током накачки волоконно-оптического лазера, который устанавливается при помощи блока управления. Изобретение позволяет улучшить характеристики измерительной системы за счет повышения ее стабильности. 1 ил.

Волоконно-оптическая система измерения физических величин, содержащая источник оптического излучения, разветвитель, разделяющий световой поток от источника излучения на измерительные каналы, каждый из которых содержит микрорезонатор, фотоприемник, блок обработки сигнала, отличающаяся тем, что в качестве источника оптического излучения использован волоконно-оптический лазер с полупроводниковым лазером накачки, выполненный с возможностью возникновения автоколебаний на резонансных частотах каждого из микрорезонаторов в соответствующих дискретных зонах возбуждения, измерительные каналы включают автоколлиматоры, оптическая ось каждого из которых составляет с нормалью к отражающей поверхности соответствующего резонатора заданный угол θ₁, θ₂,..., θ_n, блок обработки сигнала выполнен с возможностью мультиплексирования сигналов системы микрорезонаторных волоконно-оптических датчиков физических величин с частотным выходом и связан обратной связью с блоком управления, регулирующим величину тока накачки волоконно-оптического лазера.