МИКРОРЕЗОНАТОРНЫЙ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ Российский патент 1999 года по МПК G01B11/14 G01D5/26 

Изобретение относится к волоконно-оптическим автоколебательным системам на основе микромеханического резонатора с частотным кодированием выходного сигнала и может быть использовано в системах измерения различных физических величин (температуры, давления, линейных и угловых перемещений и др.).

Широкое освещение в литературе в настоящее время получили волоконно-оптические датчики (ВОД) физических величин на основе использования микромеханического резонатора (MP) и оптического когерентного излучения, взаимодействующего с MP с использованием обратной интерферометрической связи. При этом модуляция интенсивности оптического излучения происходит на собственной резонансной частоте MP.

Микрорезонатор, как правило, представляет собой микрокамертон, микробалку, микромембрану, изготовленные из монокристаллов кремния или пьезокварца методами анизотропного травления, плазмохимии. Внешнее воздействие деформирует подложку MP и через изменение внутреннего механического напряжения изменяет резонансную частоту акустических колебаний, возбуждаемых светом. Эти изменения частоты регистрируют волоконно-оптическим методом. Амплитуда колебаний MP при фотометрическом механизме возбуждения достигает десятков нанометров.

Анализ возможных решений остро стоящей в настоящее время проблемы измерения малых линейных перемещений в тяжелых условиях эксплуатации (например, в условиях агрессивных взрывоопасных сред, в труднодоступных участках и др.) показывает, что разработка ВОД линейных перемещений на основе волоконно-оптических микрорезонаторных датчиков бесконтактного типа - один из наиболее перспективных путей решения данной задачи.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по технической сущности и достигаемому результату является ВОД физических величин, опубликованный в Electronics Letters 31 st August, 1989, vol. 25, N 18, pp 1235... 1236.

Устройство содержит лазерный источник излучения на длине волны λ = 840 нм и мощностью P = 1 мВт, делитель, полупрозрачное зеркало, кремниевый микрорезонатор в виде мостика, на поверхности которого размещено зеркало из серебра толщиною 40 нм, фотоприемник, анализатор спектра.

Устройство работает следующим образом. Лазерное излучение через делитель, полупрозрачное зеркало направляется на MP и приводит его в возбужденное состояние на собственной резонансной частоте. Полупрозрачное зеркало с отражающей поверхностью MP образуют интерферометр Фабри-Перо. Информация о резонансной частоте MP фиксируется интерферометрически с помощью интерферометра Фабри-Перо. Отраженное от интерферометра излучение с помощью делителя направляется на фотоприемник, связанный с блоком обработки информации. Под действием внешних воздействий (температуры, давления, ускорения и др.) изменяется резонансная частота MP, которая с помощью интерферометра Фабри-Перо фиксируется в измерительном канале ВОД.

Стабилизация резонансной частоты MP осуществляется за счет электронной подстройки частоты лазера в небольшом диапазоне частот. Чтобы перекрыть заданный диапазон частот (~15 ГГц), длина волны лазерного источника излучения должна изменяться на 0,034 нм. Это достигается путем изменения тока накачки лазерного диода в незначительных пределах.

Выходной сигнал с фотоприемника делится на две части: одна часть направляется к анализатору спектра, другая проходит через проходной фильтр с низкими потерями и обеспечивает незначительное изменение тока накачки лазерного диода. При этом для обеспечения режима автоколебаний в течение длительного времени к напряжению тока накачки лазерного диода предъявляются жесткие требования стабильности, обеспечивающие устойчивое положение рабочей точки А на оптической характеристике Y_A резонатора Фабри-Перо, а также - тщательный выбор напряжения смещения в соответствии с условиями, где имеют место автоколебания.

В результате известное решение характеризуется следующими отрицательными признаками:
- высокие требования к стабильности мощности источника излучения (тока накачки лазерного диода) и тщательный контроль рабочей точки интерферометра Фабри-Перо за счет изменения в небольших пределах оптической мощности излучения, падающей на MP;
- дополнительные потери мощности оптического излучения, обусловленные наличием необходимых дискретных элементов, образующих дополнительный канал обратной связи в электронной схеме;
- жесткие требования к стабильности характеристик резонатора Фабри-Перо, а также - характеристик MP в силу ограниченной возможности их коррекции в рассматриваемой электронной схеме;
- ограниченные возможности подстройки рабочей точки интерферометра Фабри-Перо за счет изменения длины волны оптического излучения лазерного диода при реализации сложной электронной схемы обратной положительной связи.

Новые возможности для измерения малых перемещений частей объекта (деформации) или одного объекта относительно другого открывает метод измерения перемещений бесконтактным способом, который основан на изменении резонансной частоты MP при изменении параметров магнитного поля, воздействующего на MP, изменяющего его характеристики. При этом разрабатывается новая концепция построения чувствительного элемента или измерительной головки на базе унифицированных элементов: автоколлиматора и MP. Конструкция блока чувствительного элемента (БЧЭ) определяется типом микрорезонаторной структуры и измеряемой физической величиной x_i с функцией преобразования F(x_i).

Задача, решаемая данным изобретением, заключается в разработке микрорезонаторного волоконно-оптического датчика для бесконтактных измерений линейных перемещений частей объекта (деформации) или одного объекта относительно другого на базе унифицированных элементов, а именно: волоконно-оптического лазера (ВОЛ), одномодовых световодов, автоколлиматора и микрорезонаторного чувствительного элемента в рамках новой концепции построения ВОД унифицированного типа.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в микрорезонаторном волоконно-оптическом датчике линейных перемещений одного объекта относительно другого, содержащем источник оптического излучения, микрорезонатор, фотоприемник, блок обработки информации, в качестве источника оптического излучения используют волоконно-оптический лазер, один торец световода которого оптически сопряжен с автоколлиматором, расположенным между этим торцом и отражающей поверхностью микрорезонатора, а второй торец световода связан с фотоприемником, причем микрорезонатор, автоколлиматор, волоконно-оптический лазер, фотоприемник и блок обработки информации жестко установлены на неподвижном объекте, а на подвижном объекте жестко закреплен постоянный магнит, при этом микрорезонатор снабжен слоем магнитного материала, а отражающая поверхность микрорезонатора расположена под углом к оптической оси пучка, микрорезонатор выполнен в виде микромостика на мембране.

Основой конструкции ВОД линейных перемещений является измерительная головка (ИГ), содержащая автоколлиматор и БЧЭ. Информационным сигналом датчика является частота автоколебаний F, практически совпадающая с резонансной частотой MP f. Измерительная головка датчика бесконтактного типа не содержит непосредственной механической связи элементов микрорезонаторной структуры с объектом наблюдений. Метод измерений бесконтактных перемещений основан на способности микрорезонаторных структур регистрировать параметры полей некоторых физических величин. Для определенности ниже будем рассматривать датчик, основанный на влиянии магнитного поля на частоту микрорезонаторной структуры. Для реализации бесконтактного метода измерения перемещений необходимо, чтобы магнитное поле в точке, где установлена ИГ ВОД, изменялось при перемещении объекта, а ВОД на основе микрорезонаторной структуры был способен зарегистрировать эти изменения.

Датчик линейных перемещений, использующий эффект изменения величины деформации микроструктуры, содержит также постоянный магнит, жестко связанный с подвижным объектом и создающий необходимое пространственное распределение напряженности магнитного поля.

Конструкция БЧЭ ВОД перемещения состоит из следующих основных частей:
- мембраны микрорезонаторной структуры, на которую нанесена никелевая пленка толщиною 0,3 мкм, взаимодействующая с магнитным полем;
- микромостика, сопряженного с мембраной и содержащего отражающую поверхность;
- верхней оптически просветленной крышки (со стороны падающего на MP пучка);
- нижней крышки MP.

Использование в качестве материала крышек кремния или стекла ЛК-105 обеспечивает вакуум-плотное и термически согласованное соединение элементов конструкции. В качестве постоянного магнита могут применяться сплавы, например самарий-кобальт, обеспечивающие заданную конфигурацию магнитного поля и характеризующиеся высокой стабильностью параметров в широком диапазоне температур, а также - отсутствием значительных эффектов старения.

Корпус автоколлиматора и держатель блока ЧЭ в ИГ выполнены из немагнитных материалов с целью исключения их влияния на распределение магнитного поля в зоне расположения микрорезонаторной структуры.

В общем случае, при условии, что напряженность магнитного поля превышает поле насыщения никелевой пленки, плотность сил ρ, действующих на мембрану микрорезонаторной структуры в неоднородном магнитном поле, определяется выражением

где m - магнитный момент единицы объема никеля;
H - напряженность магнитного поля.

Частота автоколебаний, совпадающая с резонансной частотой MP, устанавливается в рассматриваемом устройстве при выполнении определенных условий. Эти условия следующие. Предлагаемый ВОД линейных перемещений основан на применении волоконно-оптического лазера и модуляции добротности двухзеркального резонатора вследствие фотоиндуцированных угловых отклонений одного из зеркал ВОД, в качестве которого служит отражающая поверхность микромостика БЧЭ. При этом один торец одномодового световода ВОЛ сопряжен с коллиматором, формирующим параллельный пучок света на отражающую поверхность микромостика БЧЭ, нормаль к которой составляет угол θ_и c осью падающего пучка, а второй торец является выходным.

Вследствие эффекта фотоиндуцированной деформации изменение мощности излучения при отражении от БЧЭ приводит к модуляции угла отклонения отраженного пучка θ(t), т.е. к модуляции мощности оптического излучения.

В качестве автоколлиматора используются 2 градиентные стержневые линзы (ГСП) в 1/8 периода каждая, формирующие Гауссовы пучки.

Кроме того, для установления в ВОЛ автоколебательного режима независимо от топологии и конструкции БЧЭ в исходном состоянии угол отклонения θ = θ_и находится в интервале θ₁≤ θ_и≤ θ₂, границы которого (θ₁, θ₂) зависят от характеристик MP и ВОЛ. При этом резонансная частота MP близка к частоте релаксационных колебаний ВОЛ f_рел или ее гармоник, т.е. f ≈ n • f_рел, где n = 1,2,3. . . n₀. Отметим, что f_рел определяется относительной накачкой q = P_н /P_н.п, где P_н.п - пороговый уровень накачки, а средняя мощность излучения превышает определенный пороговый уровень зависящий от характеристик MP и ВОЛ.

В результате оптическая связь между ВОЛ и MP осуществляется безинтерферометрическим способом, через автоколлиматор. Благодаря высокой чувствительности коллиматорной системы к угловым перемещениям эффективная модуляция добротности рассматриваемого двухзеркального оптического резонатора ВОЛ происходит вследствие фотоиндуцированных угловых перемещений одного из зеркал, в качестве которого служит отражающая поверхность микромостика БЧЭ.

Предложенный режим возникновения резонансной автомодуляции в системе ВОЛ-MP с коллиматором выгодно отличается от режима известного технического решения с использованием интерферометра Фабри-Перо.

В известной системе изменение базы интерферометра Фабри-Перо H₀ приводит к модуляции как амплитуды, так и фазы автоколебаний. При этом область существования автоколебаний Δδ_o не превышает половину периода интерферометра Фабри-Перо, т. е Δδ_o< λ/4, составляет ~400 нм. Ввиду незначительности Δδ_o случайные воздействия на интерферометр вызывают дрейф рабочей точки интерферометра или срыв автоколебаний. В предлагаемом устройстве при изменении H₀ в пределах до 3 мм срыва автоколебаний не наблюдалось. При этом нестабильность частоты составляет ΔF/F ≤ 3 • 10^-4.

Кроме того, создание вакуума между верхней крышкой и отражающей поверхностью микромостика БЧЭ существенно улучшают характеристики ВОД. Так, при вакууме 10^-3 мм рт.ст. добротность резонатора с 200 возрастает до 5000.. . 10000. Указанный эффект достигается из-за устранения шунтирования добротности вследствие контакта с вязкой средой. В результате более чем на порядок улучшаются основные характеристики ВОД, такие как точность, чувствительность.

Из вышеизложенного следует, что новые свойства системы ВОЛ-коллиматор-MP являются основанием рассматривать данную систему в качестве основы для разработки ВОД различных физических величин.

На фиг. 1 представлена схема ВОД измерения перемещений бесконтактным способом. На фиг. 2 - конструкция измерительной головки ВОД линейных перемещений. На фиг. 3 - конструкция БЧЭ перемещения.

На фиг. 1 изображено следующее:
1, 2 - объекты, расстояние x_i между которыми измеряется;
3 - измерительная головка ИГ, жестко связанная с неподвижныы объектом 1;
4 - ВОЛ, излучение которого с помощью коллиматора 5 направляется в виде параллельного пучка в сторону БЧЭ 6;
7 - источник блока накачки ВОЛ 4;
8 - выходное полупрозрачное зеркало М₁ резонатора ВОЛ 4 с коэффициентом отражения R₁;
9 - отражающее зеркало М₂ резонатора ВОЛ 4 с коэффициентом отражения R₂, связанное с MP БЧЭ 6;
10 - одномодовый световод, сопряженный с ВОЛ 4;
11 - фотоприемник, детектирующий выходное излучение ВОЛ 4;
12 - блок обработки сигналов, электрически связанный с фотоприемником 11;
13 - постоянный магнит, жестко связанный с подвижным объектом.

На фиг. 2 изображено следующее.

Измерительная головка ВОД линейных перемещений бесконтактного типа содержит коллиматор, в качестве которого используются две градиентные стержневые линзы (ГСЛ) 1 в четверть периода, формирующие Гауссовы пучки, одномодовый световод 10, сопряженный с ГСЛ, блок чувствительного элемента 6, ориентированный относительно оптической оси пучка света так, что нормаль к отражающей поверхности БЧЭ составляет с оптической осью пучка некоторый малый угол θ, при этом волоконный световод и стержневые линзы крепятся в корпусе 4, а БЧЭ 6 крепится в держателе 14.

Блок чувствительного элемента представлен на фиг. 3а,б. На фиг. 3а изображено сечение БЧЭ в плоскости А-А, где:
17 - оптически просветленная верхняя крышка БЧЭ, через которую оптическое излучение падает на микрорезонаторную структуру 18, топология которой - микромостик на мембране;
19 - нижняя крышка БЧЭ;
20 - слой магнитного материала (никель толщиной 0,3 мкм) на мембране;
21 - отражающее зеркало на микромостике микрорезонаторной структуры 18.

На фиг. 3б изображен вид БЧЭ сверху.

Устройство работает следующим образом.

На поверхности подвижного объекта 2 закрепляется постоянный магнию 13, который создает необходимое пространственное распределение напряженности магнитного поля. Измерительная головка ВОД 5 связана с другим неподвижным объектом 1 (или другой частью того же объекта при измерении деформации) и располагается в области с соответствующим градиентом магнитного поля.

В исходном положении БЧЭ 6 ориентируется относительно оптической оси автоколлиматора 5 таким образом, чтобы выполнялось условие θ₁< θ_и< θ₂, где θ₁,θ₂ - границы интервала угла отклонения, в котором устанавливается устойчивый режим автоколебаний. При этом частота автоколебаний F практически совпадает с резонансной частотой f, а существование автоколебательного режима в системе ВОЛ - коллиматор - MP осуществляется за счет модуляции амплитуды коэффициента отражения R₂ вследствие фотоиндуцированных угловых отклонений MP. Нормаль к отражающей поверхности MP первоначально ориентирована под углом θ_и к оптической оси коллимированного пучка света ВОЛ 4. Промодулированное излучение на резонансной частоте попадает на фотоприемник 11, электрический сигнал с которого поступает на блок обработки информации 12.

При взаимном перемещении объектов 1 и 2, т.е. при изменении расстояния x_i, изменяется плотность сил, действующих на мембрану, что приводит к изменению частоты микрорезонаторной структуры и, следовательно, частоты ВОЛ, фиксируемой на выходе блока 12.

Экспериментально измеренные параметры ВОД линейных перемещений рассматриваемого типа следующие: диапазон измерений 0 - 40 мм, коэффициент преобразования 5 Гц/мм, резонансная частота микрорезонатора 50 кГц, пороговая чувствительность - 0,5 мм. Экспериментальные результаты получены для MP типа микромостик на мембране с размерами 1650 х 400 х 6 мкм с пленкой никеля толщиною 0,3 мкм, R₂ = 72%.

Примечательно, что при изменении H₀ как в субмикронном диапазоне, так и в пределах до 3 мм срыва автоколебаний не наблюдалось. При этом нестабильность частоты составляла Δ F/F ≤ 3•10^-4. В известных системах изменение базы интерферометра Фабри-Перо при автоколебаниях приводит к модуляции как амплитуды, так и фазы. При этом область существования автоколебаний Δδ_o не превышает половину периода интерферометра Фабри-Перо, т.е. Δδ_o< λ/4, что составляет ~400 нм. Следовательно, возникает хорошо известная в интерферометрии проблема, связанная со стабилизацией рабочей точки интерферометра.

Предлагаемый безинтерферометрический способ инерции автоколебаний в ВОЛ свободен от этих недостатков, что позволяет улучшить основные характеристики ВОД линейных перемещений: точность, чувствительность. Кроме того, вакуумирование БЧЭ до 10^-3 - 10^-4 мм рт.ст. открывает новые перспективы по улучшению технических характеристик датчика, а именно: повысить добротность системы от 200 при обычных условиях до 5000-10000 при вакуумировании, что повышает точность, чувствительность датчиков этого типа более чем на порядок.

Датчик содержит волоконно-оптический лазер, один торец световода которого оптически сопряжен с автоколлиматором, расположенным между этим торцом и отражающей поверхностью микрорезонатора, а второй торец световода связан с фотоприемником. Микрорезонатор, автоколлиматор волоконно-оптический лазер, фотоприемник жестко установлены на неподвижном объекте. На подвижном объекте жестко закреплен постоянный магнит. Микрорезонатор снабжен слоем магнитного материала. Повышена точность и чувствительность датчика. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Микрорезонаторный оптический датчик линейных перемещений одного объекта относительно другого, содержащий источник оптического излучения, микрорезонатор, фотоприемник и блок обработки информации, отличающийся тем, что в качестве источника оптического излучения используют волоконно-оптический лазер, один торец световода которого оптически сопряжен с автоколлиматором, расположенным между этим торцом и отражающей поверхностью микрорезонатора, а второй торец световода связан с фотоприемником, причем микрорезонатор, автоколлиматор, волоконно-оптический лазер, фотоприемник и блок обработки информации жестко установлены на неподвижном объекте, а на подвижном объекте жестко закреплен постоянный магнит, при этом микрорезонатор снабжен слоем магнитного материала, а отражающая поверхность микрорезонатора расположена под углом к оптической оси пучка. 2. Микрорезонаторный оптический датчик линейных перемещений одного объекта относительно другого по п.1, отличающийся тем, что микрорезонатор выполнен в виде микромостика на мембране.