Оптоэлектронные датчики - Козлов В.Л.
Скачать (прямая ссылка):
На основе изменения фазы распространяющейся по оптическому волокну световой волны можно создать волоконно-оптические интерферометры для высокоточных измерений различных величин: давления, температуры, напряженности магнитного и электрического поля, электрического тока и напряжения, расхода вещества и д.р. [17]
По способам построения и функционирования интерферометры делятся на интерферометры Маха-Цендера, Майкельсона, Фабри-Перо и интерферометры с сохранением поляризации (рис.65). В интерферометрах Маха-Цендера и Майкельсона одни концы двух одномодовых оптических волокон предназначены для чувствительного элемента, другие -для опорного сигнала. В отличие от них интерферометры Фабри-Перо и интерферометры с поляризованными модами выполнены лишь на одном оптическом волокне и разработаны с учетом использования тех или иных особенностей волокна.
Рис.65. Схема волоконно-оптических интерферометров: а- кольцевого; б- кольцевого Фабри-Перо; в- Маха-Цендера; г- Майкельсона; д- Фабри-Перо; е- с поляризованными модами.
ЛЕКЦИЯ 15
15.1. Датчики на основе интерференции
устройстбо
112
В структурах интерферометров, за исключением интерферометров Фабри-Перо, интенсивность интерференции Р1 и Р2 при интенсивности двух световых волн 11 и 12 выражаются следующим образом:
Р * а +12 + Y2,//Л cosф (129) Р2 * 1Х +12 -у2yJ1,12 cosф (130)
В этих формулах у-показатель, называемый степенью когерентности интерференции. Он является функцией произведения ширины Af спектральной линии источника света и разности Al длин двух оптических путей: у (Af Al) < 1 (131)
и при AfAl-0 получается равным единице.
При изменении разности фаз ф между световыми волнами желательно для повышения чувствительности (увеличения крутизны изменения выходных сигналов Р1 и Р2), чтобы AfAl—>0. Для заданной величины Af возможно найти значение Al, при котором показатель у окажется равным e-1, и эта длина Al называется длиной когерентности источника света. Для обычного гелий-неонового лазера, одномодового полупроводникового лазера и гелий-неонового лазера с одной модой длина когерентности составляет соответственно несколько десятков сантиметров, около 10 м и около 1 км. Таким образом, источник света необходимо выбирать в соответствии со структурой интерферометра. Кроме того, из формул (129) и (130) следует, что при 11 = 12 чувствительность к изменению фазы оптимальна. Заметим, что в этих формулах для двух интерференционных выходных сигналов Р1 и Р2 знаки при cos у противоположны. Это точно соблюдается, если направленный ответвитель, объединяющий два световых луча, или расщепитель поляризованных лучей не имеет потерь.
Погрешность измерения фазы интерферометром. Разность фаз у между двумя световыми волнами можно представить в виде фазы входного сигнала ys и дрейфа yd в низкочастотной области, вызванного в основном колебаниями температуры:
V = Vs + Vd . (132)
Обычно трудно устранить влияние колебаний температуры, поэтому в качестве сигнала, используемого в волоконно-оптическом интерферо-метрическом датчике, принимается только переменная составляющая, расположенная выше частотной полосы температурного дрейфа. Разумеется, это ограничение неприемлемо при создании датчика температуры и не подходит также для оптической системы с волокном опорного сигнала. В таких случаях применяется интерферометр на одном оптическом волокне (рис. 65,в и е). Таким образом, при создании волоконно-оптического датчика типа интерферометра прежде всего должны быть учтены дрейф нуля, колебания масштабного коэффициента и нелинейность.
113
я)
Источник
света
, Чувствительное волокно /(сигнале)
Волокно
опорного
сигнала
XX
Поляризатор \ 1+cos8
Ф
Волоконный' фазовый сдвигатель
Усилитель
l-?^h
1-CQSB
-{Интегратору
Выходной
сигнал
Источник
света
а)0+Ао)
о)п
! Частотный сдвигатель
О),
Чувствительное волокно
Волокно !опорного сигнала
-*з4э~
Фазовый
детектор
jвыходной “ сигнал
• 1-i-cos(A(jt)t+8)
Рис. 66. Интерферометры гомодинный с активной стабилизацией (а) и
гетеродинный (б)
Меры против этих нежелательных факторов различны для методов светового гомодинирования и гетеродинирования. На рис. 66,а представлена наиболее общая схема интерферометра с гомодинированием. В этой структуре составляющая дрейфа yd компенсируется с помощью волоконно-оптического фазового модулятора. Здесь с помощью дифференциального усилителя из выходного сигнала интерферометра устраняется составляющая 11 + 12 постоянного тока, а низкочастотная составляющая подается по цепи обратной связи и тем самым рабочая точка устанавливается на линейном участке фазовой характеристики. Даже при такой модификации системы все же остаются две из трех указанных выше проблем. Поэтому необходимо с помощью отслеживания сигналов 11 и 12 ввести процедуру деления выходного сигнала или компенсировать колебания мощности источника света, контролируя ее посредством оптического волокна с сохранением поляризации.
В противоположность этому, если в один из оптических путей в гетеродинном методе (рис.66,б) ввести частотный сдвигатель и установить между световыми волнами частотную разность Дю, то в соответствии с формулой (129) получается электрический сигнал переменного тока с фазовой модуляцией, т. е.
