Способ настройки максимальной чувствительности волоконно-оптического гидрофона Российский патент 2017 года по МПК H04R29/00 

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано в конструкциях гидрофонов.

Известен способ определения пространственного смещения акустического центра гидрофона относительно его геометрического центра по патенту России на изобретение №2516607 (МПК H04R 1/44, опубл. 20.05.2015 г.). Согласно указанному способу излучатель располагают в измерительном бассейне, ориентируя гидрофон опорным направлением на излучатель, облучают гидрофон сигналами излучателя и принимают сигнал гидрофоном, затем, не меняя положения геометрического центра гидрофона относительно излучателя, разворачивают гидрофон на 180°, принимают сигнал излучателя и измеряют изменение временной задержки сигнала, принятого гидрофоном, при изменении направления приема с опорного на противоположное опорному, смещение акустического центра гидрофона относительно геометрического центра в направлении приема рассчитывают как произведение полученной временной задержки на скорость звука в воде.

Известен способ работы лазерно-интерференционного гидрофона, описанного в патенте на полезную модель России №58216 (МПК G01L 23/06, опубл. 10.11.2006). Лазерно-интерференционный гидрофон содержит герметичный корпус, внутри которого расположены система компенсации внешнего давления, система регистрации с блоком накопления и хранения информации и оптическая система, выполненная по схеме равноплечного интерферометра Майкельсона, а в качестве источника монохроматичного излучения установлен лазерный диод с долговременной частотной нестабильностью не более 10^-3. Луч от лазерного диода попадает на коллиматор, где преобразуется в параллельный пучок и расширяется до размеров, приемлемых при настройке интерференции. Далее луч направляется на плоскопараллельный светоделитель, где расщепляется на два пучка. Один из них, проходя через фокусирующую линзу, отражается от подвижного отражателя, представляющего собой светоотражающее покрытие, нанесенное на мембрану, попадает на светоделитель, затем на фотодиод и в место прихода луча от неподвижного отражателя опорного луча. В данном месте опорные лучи совмещаются котировочными болтами, образуя интерференционную картину. Интерференционная картина настраивается на пятно-минимум, в месте расположения которого находится фотодиод. Под воздействием вариаций внешнего давления возникают смещения подвижного отражателя относительно его положения равновесия, вследствие чего изменяется оптическая длина, проходимая измерительным лучом, что приводит к изменению интенсивности света в месте нахождения фотодиода. Соответственно, система регистрации вырабатывает сигнал обратной связи, подаваемый к пьезокерамическим основаниям, на которых укреплены отражающие зеркала неподвижного отражателя опорного луча, и этим изменяет оптическую длину, проходимую опорным лучом. Интенсивность пятна в месте нахождения фотодиода поддерживается за счет обратной связи. Величина сигнала, подаваемого на пьезокерамическое основание зеркал неподвижного отражателя, пропорциональна изменению оптической длины измерительного луча и, соответственно, является мерой смещения подвижного отражателя относительно положения равновесия.

В процессе эксплуатации волоконно-оптические датчики акустического давления в силу целого ряда причин (изменение среднего давления или температуры среды; физико-химических взаимодействий среды с микромембраной и тонкопленочной структурой; осаждение микрочастиц или микроорганизмов (например, бактерий) на рабочие поверхности; мутность среды и др.) возможно существенное изменение чувствительности микромембраны к давлению, что, в свою очередь, приводит к ухудшению метрологических характеристик.

Заявляемое изобретение направлено на решение задачи обеспечения дистанционного контроля текущих значений ключевых параметров, характеризующих упруго-механические свойства сенсорного элемента гидрофона - микромембраны.

Технический результат, получаемый при реализации заявляемого изобретения, выражается в увеличении чувствительности волоконно-оптического гидрофона.

Для достижения вышеуказанного технического результата способ настройки максимальной чувствительности волоконно-оптического гидрофона заключается в том, что в гидрофоне используют источник света с возможностью модулирования параметров излучения по амплитуде и по частоте, формируют модулированным лазерным излучением сигнал с частотой модуляций, близкой к резонансной частоте микромембраны, которым возбуждают вынужденные колебания микромембраны; измеряют резонансную частоту микромембраны ν, затем при постоянной мощности изменяют длину волны излучения от источника света в пределах, превышающих спектральную ширину свободной дисперсии интерферометра Фабри-Перо,

,

где H₀ - расстояние от отражающей поверхности микромембраны до торцевой поверхности одномодового волоконного световода,

n - показатель преломления среды,

при этом измеряют экстремальные значения длины волны λ_max и λ_min излучения, соответствующие выходным сигналам волоконно-оптического гидрофона - максимального U_max и минимального U_min значений;

затем вычисляют среднее значение:

;

изменяют длину волны излучения от источника света до длины волны λ_k, соответствующей среднему значению U_ср выходного сигнала.

Возбуждение модулированным лазерным излучением вынужденных колебаний микромембраны можно осуществлять за счет фототермического эффекта.

Изобретение поясняется чертежами, где

на фиг. 1 - схема волоконно-оптического датчика акустического давления (гидрофона);

на фиг. 2 - диаграммы амплитудно-спектральной модуляции параметров оптического излучения.

Схема волоконно-оптического датчика акустического давления и первичного преобразователя давления представлены на фиг. 1.

Волоконно-оптический датчик акустического давления содержит блок управления 1, источник излучения 2, волоконный разветвитель 3, оптический кабель 4; первичный оптоволоконный преобразователь давления 5; кремниевый сенсорный элемент - микромембрану 6; сегмент световода с полупрозрачной тонкопленочной структурой на торцевой поверхности 7; микроотверстие 8; фотоприемное устройство 9; блок обработки сигналов 10.

Принцип работы волоконно-оптических датчика акустического давления мембранного типа основан на регистрации вынужденных колебаний кремниевой микромембраны - сенсорного элемента преобразователя, возбуждаемых звуковой волной в газообразной или жидкой среде (P(t)). Регистрация колебаний осуществляется с помощью высокочувствительного волоконно-оптического торцевого интерферометра Фабри-Перо, в котором в качестве зеркал служат отражающая поверхность микромембраны и полупрозрачное зеркало в виде тонкопленочной структуры на торцевой поверхности одномодового волоконного световода, расположенные на некотором небольшом расстоянии, определяющем базу интерферометра (H). Звуковая волна в среде приводит к модуляции базы интерферометра, H(t)=H₀+h(t), где H₀ - исходная база, , (h<<H₀), которая, в свою очередь, вызывает модуляцию интенсивности отраженного света I_R(t)~I₀⋅R(t), где R(t)=R(H(t)) - эффективный коэффициент отражения интерферометра.

Для минимизации амплитудно-фазовых искажений, вносимых первичным преобразователем давления, важно обеспечить достаточно высокую резонансную частоту микромембраны ν>>Ω, где ν - собственная (резонансная) частота основной моды поперечных колебаний микромембраны в окружающей среде [X. Lu, Q. Guo, Z. Xu, W. Ren, Z.-Y. Cheng // Sensors and Actuators 2012, A. 179, pp. 32-38]:

где - резонансная частота круглой микромембраны в вакууме; E, ρ, σ - соответственно модуль Юнга, плотность, коэффициент Пуассона материала микромембраны; R, h - радиус и толщина микромембраны (R>>h); Q - механическая добротность основной моды колебаний в среде с плотностью ρ_с (как правило, Q≥3).

Предполагается, что изменения параметров в процессе эксплуатации происходят достаточно медленно, так что выполняются условия . С учетом того, что в жидкостях , текущие значения резонансной частоты микромембраны определяются приближенной формулой:

При этом смещение центра микромембраны, обусловленное звуковой волной в условиях Ω<<ν, составляет:

которое с учетом (2) можно представить в виде:

показывающем, что случайные изменения чувствительности микромембраны можно определить путем измерения резонансной частоты микромембраны; при этом возможные изменения параметров (σ;Q) в силу условий (σ²;Q^-2)<<1σ², не дают существенного вклада в изменение чувствительности микромембраны (коэффициент C = const).

Коэффициент отражения интерферометра Фабри-Перо описывается функцией Эйри, которая в приближении низкой добротности резонатора, типичной для торцевых интерферометров Фабри-Перо в условиях r_1,2≤0,5 имеет вид:

где параметры, , r, H₀, n, κ, ϕ₀ в действительности являются медленно изменяющимися величинами, зависящими от влияния дестабилизирующих факторов. Выражение (5) можно представить в виде:

где R_max, R_min представляют собой соответствующие текущие максимальные и минимальные значения коэффициента отражения интерферометра Фабри-Перо, которые удобны для экспериментального определения.

В соответствии с (6) максимальная чувствительность волоконно-оптического гидрофона в условиях измерения малых колебаний h<<λ достигается при значениях параметров интерферометра Фабри-Перо, удовлетворяющих условию квадратуры интерферометра:

При этом выходной сигнал волоконно-оптического гидрофон составляет U_k=U_ср, где среднее значение U_ср определяется выражением:

С учетом (6) и (8), максимальная чувствительность волоконно-оптического гидрофона составляет:

В соответствии с (9) предлагается следующий способ реализации максимальной чувствительности волоконно-оптического гидрофона, который включает: определение (измерение) текущего значения резонансной частоты микромембраны (ν); измерение экстремальных (реперных) значений выходного сигнала волоконно-оптического гидрофона - максимального U_max и минимального U_min значений и определение (расчет) среднего значения ; установку оптимальной длины волны излучения λ_k, соответствующей среднему значению U_ср выходного сигнала волоконно-оптического гидрофона.

При этом резонансную частоту микромембраны (ν) можно определить с помощью амплитудно-частотной характеристики вынужденных колебаний микромембраны, возбуждаемых модулированным лазерным излучением, например, за счет фототермического эффекта [Y.X. Sun, M.S. Saka // International Journal of Mechanical Sciences, 2008, v. 50, issue 9, pp. 1365-1371]. Экстремальные значения выходного сигнала волоконно-оптического гидрофона (U_max; U_min) можно определить путем перестройки спектра излучения в пределах, превышающих спектральную ширину свободной дисперсии интерферометра Фабри-Перо, .

Указанные режимы измерений могут быть реализованы с помощью источника света, допускающего модулирование параметров излучения как по амплитуде, так и по частоте с модуляционными характеристиками, представленными на фиг. 2.

В интервале времени (t₁, t₂) снимается амплитудно-частотная характеристика фотоиндуцированных вынужденных колебаний микромембраны и определяется резонансная частота микромембраны (ν), а в интервале (t₃, t₄) осуществляется перестройка спектра излучения и определяются экстремальные значения выходного сигнала волоконно-оптического гидрофона, а также оптимальная длина волны излучения λ_k' и соответствующая чувствительность S'. Через определенный интервал времени, равный, например, межповерочному интервалу датчика (T), автоматически запускается очередной цикл способа, что позволяет определить очередные значения ν', λ_kʺ и оптимальные значения чувствительности Sʺ.

Изобретение относится к метрологии, в частности к способам калибровки гидрофонов. Способ настройки максимальной чувствительности волоконно-оптического гидрофона предполагает подачу света по волоконно-оптической линии к микромембране, с последующим приемом отраженного света фотоприемником. При этом используют модулированный по амплитуде и по частоте свет, формируют модулированным лазерным излучением сигнал с частотой модуляций, близкой к резонансной частоте микромембраны, которым возбуждают вынужденные колебания микромембраны; измеряют резонансную частоту микромембраны ν, затем при постоянной мощности изменяют длину волны излучения от источника света в пределах, превышающих спектральную ширину свободной дисперсии интерферометра Фабри-Перо, согласно математическому выражению, учитывающему расстояние от отражающей поверхности микромембраны до торцевой поверхности одномодового волоконного световода H₀, и показатель преломления среды n. Затем измеряют экстремальные значения длины волны λ_max и λ_min излучения, соответствующие выходным сигналам, вычисляют среднее значение, изменяют длину волны излучения до длины волны λ_k, соответствующей среднему значению U_ср выходного сигнала. Технический результат – повышение чувствительности гидрофона. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ настройки максимальной чувствительности волоконно-оптического гидрофона заключается в том, что в гидрофоне используют источник света с возможностью модулирования параметров излучения по амплитуде и по частоте, формируют модулированным лазерным излучением сигнал с частотой модуляций, близкой к резонансной частоте микромембраны, которым возбуждают вынужденные колебания микромембраны; измеряют резонансную частоту микромембраны ν, затем при постоянной мощности изменяют длину волны излучения от источника света в пределах, превышающих спектральную ширину свободной дисперсии интерферометра Фабри-Перо,

где Н₀ - расстояние от отражающей поверхности микромембраны до торцевой поверхности одномодового волоконного световода,

n - показатель преломления среды,

при этом измеряют экстремальные значения длины волны λ_max и λ_min излучения, соответствующие выходным сигналам волоконно-оптического гидрофона - максимального U_max и минимального U_min значений;

затем вычисляют среднее значение

изменяют длину волны излучения от источника света до длины волны λ_k, соответствующей среднему значению U_cp выходного сигнала.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что возбуждение модулированным лазерным излучением вынужденных колебаний микромембраны осуществляют за счет фототермического эффекта.