Устройство регистрации малых изменений длины интерференционных волоконно-оптических сенсоров Российский патент 2024 года по МПК G01B9/02 

Изобретение относится к области волоконно-оптических сенсорных систем, в частности к устройствам регистрации сигналов с интерференционных волоконно-оптических датчиков.

В настоящий момент предложено большое количество вариантов волоконно-оптических датчиков для регистрации различных физических величин. При этом одной из часто встречающихся конструкций являются интерференционные датчики, которые нашли широкое применение для детектирования самых различных физических величин: температуры, давления, ускорения и др. Принцип работы таких датчиков основан на изменении разности оптических путей интерферирующих волн при внешнем воздействии на чувствительный элемент. Например, в датчиках температуры используется температурная зависимость показателя преломления материала, в датчиках давления и ускорения - смещение мембраны относительно торца волокна. При этом одной из важнейших частей при построении волоконно-оптических систем мониторинга является схема регистрации, детектирующая оптический сигнал с чувствительного элемента, которая в значительной степени определяет точностные и временные параметры итоговой системы.

Существуют различные схемы регистрации сигналов с интерференционных датчиков. Известно устройство, описанное в патенте US 7099015 «Fiber optic sensing device for measuring a physical parameter)) (МПК G01B 9/02, публ. 29.08.2006 г.). В нем используется широкополосный источник и спектрометр. Поскольку коэффициент отражения интерферометра Фабри-Перо зависит от соотношения длины волны света и оптической длины интерферометра, то свет, отраженный от сенсора, оказывается промодулированным в спектральной области. Изменение длины сенсора приводит к сдвигу максимумов и минимумов в спектре коэффициента отражения, что и регистрируется спектрометром. Недостатком данной схемы является ограниченное быстродействие, определяемое спектрометром, и сложность мультиплексирования датчиков.

Другим распространенным методом регистрации является использование перестраиваемого лазера в различных модификациях.

В патенте US 5276501 «Fabry-Perot readout technique using wavelength tunng» (МПК G01B 9/02, публ. 04.01.1994 г.) описано использование лазера, перестраиваемого в некотором диапазоне длин волн, при этом при изменении длины волны лазера меняется интенсивность отраженного сигнала в результате интерференции в сенсорном зазоре. Аналогично предыдущему устройству изменение длины сенсора приводит к сдвигу минимумов и максимумов. Недостатком данного метода является то, что для детектирования изменения длины малых зазоров необходимо иметь широкую полосу перестройки длины волны, что сложно реализовать с приемлемой скоростью. Кроме того, точность измерения такой системы будет определяться стабильностью и воспроизводимостью длины волны источника при сканировании, чего крайне сложно добиться без дополнительных устройств, особенно при большом диапазоне сканирования.

В патенте US 7443510 «Tunable laser for dynamic measurement)) (МПК G01B 9/02, публ. 28.10.2008 г.) предложена модификация данного метода для повышения его быстродействия. В данном варианте лазер перестраивается в небольшом диапазоне, но измеряется не положение минимумов и максимумов коэффициента отражения, а проводится сравнение двух последовательных сканов. За счет малого диапазона перестройки такой подход позволяет заметно поднять быстродействие, но при этом исчезает возможность измерения абсолютных величин и медленных процессов.

Чтобы иметь возможность регистрировать одновременно как быстрые, так и медленные процессы, и при этом значительно снизить влияние волоконного тракта, часто используют методы гомодинной демодуляции в различных вариантах. Основная их идея заключается в создании синтетической несущей за счет дополнительной модуляции фазы с последующим Фурье анализом сложного полихроматического сигнала.

В работе «Passive Homodyne Phase Demodulation Technique Based on LF-TIT-DCM Algorithm for Interferometric Sensors)) (Zhang W., Lu P., Qu Z., Zhang J., Wu Q., Liu D., Sensors 2021, 21, 8257) предложено использовать два сдвинутых по длине волны источника с небольшой модуляцией по длине волны каждого из них. В этом случае изменение длины сенсорного интерферометра приводит к сдвигу фазы между интерференционными сигналами на каждой из длин волн, что позволяет устранить влияние амплитудных шумов. Недостатком такого подхода являются высокие требования к стабильности используемых источников по длине волны и появление дополнительных фазовых шумов в результате рассеяния лазерного излучения на различных элементах схемы.

Известна работа «An Ameliorated Phase Generated Carrier Demodulation Algorithm With Low Harmonic Distortion and High Stability)) (Jun He, Lin Wang, Fang Li, Yuliang Liu, Journal of Lightwave Technology, Vol.28, No. 22, November 15, 2010), в которой описано устройство, реализующее метод детектирования и выбранное за прототип. В известном устройстве находящийся в чувствительном элементе интерферометр разбивается на два плеча: сенсорное и опорное. В опорное плечо вводится дополнительный элемент, осуществляющий модуляцию оптической длины плеча на некоторой частоте. При этом контролируемое внешнее воздействие изменяет оптическую длину сенсорного плеча. Далее осуществляется синхронное детектирование интерференционного сигнала на частоте модуляции и удвоенной частоте модуляции с последующим дифференциальным самоперемножением. Поскольку амплитуды первой и второй гармоник пропорциональны функциям Бесселя 1-го рода первого и второго порядка, которые в свою очередь зависят от глубины фазовой модуляции, то их совместная обработка с перекрестным перемножение гармоник и их производных с последующим восстановлением фазы позволяет полностью восстановить профиль изменения длины сенсорного плеча интерферометра. Недостатком данного устройства является то, что опорная модуляция осуществляется непосредственно в чувствительном элементе, что, во-первых, усложняет конструкцию чувствительного элемента и не позволяет использовать эту схему с большинством конструкций волоконно-интерференционных волоконно-оптических датчиков, во-вторых, требует наличия дополнительной линии передачи модулирующего напряжения, что нивелирует преимущества волоконных датчиков.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое устройство, является разработка устройства регистрации малых изменений разности длин оптических путей интерферирующих волн в интерференционных волоконо-оптических сенсорах, позволяющего регистрировать сигнал с произвольных интерференционных датчиков без изменения их конструкции с использованием алгоритма гомодинной демодуляции.

Технический результат достигается за счет того, что разработанное устройство так же, как и устройство-прототип, включает источник света, приемник и блок обработки сигналов, реализующий алгоритм гомодинной демодуляции. Новым является то, что вместо высококогерентного лазерного источника используется широкополосный источник с малой длиной когерентности, сенсор представляет собой интерференционный волоконно-оптический датчик, а между широкополосным источником света и интерференционным волоконно-оптическим датчиком введен осуществляющий модуляцию перестраиваемый опорный интерферометр, разность длин плеч которого равна задержке интерферирующих волн в интерференционном датчике. Такая схема включения элементов позволяет осуществлять опорную модуляцию в опорном интерферометре, а не в сенсоре, что позволяет подключать разработанное устройство регистрации к интерференционным волоконно-оптическим датчикам произвольной конструкции, при этом датчик может быть отнесен от опорного интерферометра на произвольное расстояние.

В частном случае реализации разработанного устройства опорный интерферометр выполнен по схеме Майкельсона.

В другом частном случае опорный интерферометр может быть выполнен по схеме Маха-Цендера.

В третьем частном случае реализации разработанного устройства опорный интерферометр выполнен по схеме Фабри-Перо.

В четвертом частном случае реализации разработанного устройства опорный интерферометр, выполненный по любой из перечисленных выше схем, может быть изготовлен из оптического волокна, намотанного на пьезокерамическую катушку, на которую осуществляется подача напряжения.

Предлагаемое изобретение поясняется следующими фигурами.

На фиг. 1 представлена схема разработанного устройства регистрации в соответствии с п. 2 формулы изобретения.

На фиг. 2 представлена схема разработанного устройства в соответствии с п. 3 формулы изобретения.

На фиг. 3 представлена схема разработанного устройства в соответствии с п. 4 формулы изобретения.

На фиг. 4 представлена схема разработанного устройства регистрации в соответствии с п. 5 формулы изобретения.

На фиг. 5 приведен вид сигнала на фотоприемнике при сканировании разности длин плеч опорного интерферометра.

На фиг.6 приведена шумовая дорожка при детектировании сигнала с помощью разработанного устройства по п. 4 с волоконно-оптического датчика.

Указанные фигуры поясняют изобретение, но не ограничивают его. Предлагаемое изобретение реализуется следующим образом. Свет от широкополосного источника 1 (например, суперлюминесцентного диода) направляется на опорный интерферометр 2, выполненный, например, по схеме интерферометра Майкельсона (фиг. 1) или какой либо другой схеме, позволяющей сканировать и модулировать разность длин плеч и . Ширина спектра выбирается такой, чтобы длина когерентности источника

где λ - центральная длина волны источника,

δλ - ширина спектра источника,

была много меньше разности оптических путей в опрашиваемом сенсоре 3. Для типичных широкополосных источников 1 - суперлюминесцентных диодов характерная длина когерентности составляет 20-40 мкм, что позволяет использовать разработанное устройство для любых сенсоров 3 с задержкой интерферерирующих волн больше 100 мкм. Далее в опорном интерферометре 2 свет делится на два плеча, затем отражается от зеркал в плечах, снова собирается в один пучок и далее записывается в оптическое волокно. После этого через циркулятор 4 свет падает на опрашиваемый сенсор 3 (интерференционный волоконно-оптический датчик), отражается от него и снова через циркулятор 4 попадает на фотоприемное устройство 5. Сигнал с фото приемного устройства 5 посредством АЦП вводится в обрабатывающее цифровое устройство (например, персональный компьютер), где осуществляется его обработка.

Интенсивность света на фотоприемном устройстве 5 оптической схемы будет иметь вид:

где ω_sld - центральная частота источника,

d - оптическая толщина сенсора,

Δz - разность длин плеч опорного интерферометра,

с - скорость света.

При выполнении условия подстройки опорного интерферометра под опрашиваемый сенсор

в выражении (2) остается только два слагаемых, отличных от нуля и оно принимает вид (фиг. 5):

В более общем виде (3) можно записать как

где А и В - некоторые константы, определяемые коэффициентами отражения в опорном интерферометре и сенсоре,

γ(Δz, d) - автокорреляционная функция источника, имеющая для случая гауссова источника вид:

При выполнении условия подстройки (3) можем записать Δz(t) и d(t) в следующем виде:

где - амплитуда модуляции разности длин плеч в опорном интерферометре,

ω₀ - циклическая частота опорной модуляции,

- измеряемое изменение разности оптических путей интерферирующих волн в сенсоре.

Тогда вблизи максимума автокорреляционной функции, где γ(Δz, d)≈1, выражение (5) примет вид:

где ,

.

Данный сигнал является уже стандартным входным сигналом для алгоритмов гомодинной демодуляции. В частности далее описано использование алгоритма на базе перекрестного перемножения. После детектирования и аналого-цифрового преобразования сигнал (9) перемножается с первой и второй гармоникой сигнала опорной модуляции. В результате после пропускания через фильтры низких частот на выходе фильтров образуются следующие сигналы:

где J₁(C) и J₂(C) - функции Бесселя первого рода первого и второго порядка.

Далее производится дифференцирование (10) и (11) с последующим перекрестным перемножением. В результате получаем два сигнала

С учетом основного тригонометрического тождества после выполнения операции вычитания над сигналами (12) и (13) получим:

Заключительная операция интегрирования позволяет получить выходной сигнал из выражения (14):

Использование широкополосного источника с конечной длиной когерентности приведет к тому, что, в соответствии с (5) и (6), итоговая форма сигнала после обработки будет иметь вид:

Дополнительный множитель начинает вносить заметные искажения в результат обработки при соответственно в области его влияние практически незаметно.

На фиг. 6 приведена шумовая дорожка сигнала, регистрируемого с волоконно-оптического датчика температуры, выполненного по схеме интерферометра Фабри-Перо. Амплитуда шумов (среднеквадратичное отклонение) составила 0,1 нм в полосе 100 Гц 10 кГц.

Опорный интерферометр может быть выполнен по различным схемам. При использовании интерферометра Майкельсона (фиг. 1) можно получить большой диапазон перестройки разности задержек интерферирующих волн за счет перемещения зеркала. Схема является наиболее универсальной и позволяет использовать один и тот же интерферометр для опроса датчиков с разными задержками интерферирующих волн. Основным недостатком схемы Майкельсона является то, что половина света после прохождения интерферометра возвращается назад в источник. Это увеличивает шумы источника и для высокоточных систем требует наличия дополнительных оптических изоляторов.

В качестве альтернативы можно использовать схему интерферометра Маха-Цендера (фиг. 2), исключающую попадание обратного света в источник. Данная схема также оказывается компактнее с точки зрения конструкции, но в ней сложнее реализовать большой диапазон перестройки разности длин плеч, поскольку модулятор «М» работает в режиме на прохождение, то есть свет просто проходит через него, и увеличение длины плеча осуществляется за счет достаточно слабых термооптических или электрооптических эффектов в отличие от возможности механического сдвига зеркала в схеме на фиг. 1.

Максимальной компактности можно достичь при использовании интерферометра Фабри-Перо в качестве опорного (фиг. 3). Он не позволяет получить большого диапазона перестройки, но обеспечивает максимальные компактность и частоту модуляции. При этом для корректной работы схемы необходимо опорный интерферометр изготавливать таким образом, чтобы его удвоенная оптическая длина А с высокой точностью совпадала с разностью оптических путей в сенсоре.

Все вышеописанные схемы могут быть реализованы как на дискретных оптических элементах, так и в полностью волоконном исполнении (фиг. 4). В такой конструкции деление света на два плеча осуществляется с помощью волоконно-оптического мультиплексора «Мх», обеспечивающего в силу своей конструкции равномерное деление света. Волоконная конструкция является наименее гибкой с точки зрения изменения ее параметров в процессе работы, но при этом является наиболее технологичным вариантом с точки зрения сборки и настройки при массовом изготовлении.

Таким образом, заявленная схема детектирования позволяет регистрировать сигнал с произвольных интерференционных волоконно-оптических датчиков, при этом использование широкополосного источника и опорного интерферометра с возможностью сканирования и модуляции позволяет сделать полностью независимую от сенсора приемную систему, реализующую метод гомодинной демодуляции и расположенную на произвольном расстоянии от сенсора. Предложенная схема позволяет детектировать колебания длины сенсора с разрешением 0,1 нм (среднеквадратичное отклонение) в полосе частот 100 Гц - 10 кГц.

Настоящее изобретение относится к области волоконно-оптических сенсорных систем, в частности к устройствам регистрации сигналов с интерференционных волоконно-оптических датчиков. Предложенное устройство включает в себя широкополосный источник света с малой длиной когерентности, опорный интерферометр, приемник и блок обработки сигналов, реализующий алгоритм гомодинной демодуляции. При этом разность длин плеч опорного интерферометра выбирается равной задержке интерферирующих волн в сенсоре, а модуляция осуществляется не в сенсоре, а в опорном интерферометре. Технический результат - регистрация изменения оптической длины сенсорного элемента датчика с разрешением 0,1 нм в широкой полосе частот. 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Устройство регистрации малых изменений разности длин оптических путей интерферирующих волн в интерференционных волоконно-оптических сенсорах, включающее в себя источник света, приемник и блок обработки сигналов, реализующий алгоритм гомодинной демодуляции, отличающееся тем, что источник света является широкополосным, сенсор представляет собой интерференционный волоконно-оптический датчик, а между широкополосным источником света и интерференционным волоконно-оптическим датчиком введен осуществляющий модуляцию перестраиваемый опорный интерферометр, разность длин плеч которого равна задержке интерферирующих волн в интерференционном датчике.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что опорный интерферометр выполнен по схеме Майкельсона.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что опорный интерферометр выполнен по схеме Маха-Цендера.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что опорный интерферометр выполнен по схеме Фабри-Перо.

5. Устройство по любому из пп.1-4, отличающееся тем, что опорный интерферометр выполнен из оптического волокна, намотанного на пьезокерамическую катушку, на которую осуществляется подача напряжения.