Использование фотоупругого эффекта для измерения физических величин (стр. 3 из 4)

Наибольшее развитие волоконно-оптические датчики, на основе эффекта фотоупругости получили в приложениях, связанных с акустическими измерениями. Измерительная конфигурация первого образца датчика такого типа, была аналогичной приведенной на рисунке 2.1 и имела два волоконных выхода. Свет от гелий-неонового лазера мощностью 2 мВт фирмы Hughes вводился в волокно со ступенчатым профилем показателя преломления и диаметром сердцевины 100 мкм и передавался преобразователю. Затем он коллимировался с помощью стержневой градиентной линзы, приобретал круговую поляризацию и проходил через фотоупругий чувствительный элемент. Компоненты (1 + sin) и (1 — sin) выходного сигнала затем разделялись поляризующим светоделителем и вводились в различные выходные волокна для передачи в область обработки сигнала, где они регистрировались двумя фотодиодами RCA С30808. Фотоупругий элемент, имеющий двутавровый профиль, был изготовлен из Thiokol Solithane Urethane 113 и его площадь поперечного сечения вверху и внизу составляла 0,6 х 0,6 см, а площадь поперечного сечения в области, пересекаемой оптическим лучом, равнялась 0,6 х 0,2 см.

Экспериментально определенная оптическая постоянная по напряжениям равнялась f_a = 210 Па/полоса/м. Корпус акустического датчика представлял собой полый алюминиевый цилиндр высотой 8 см с внутренним диаметром 8,5 см и внешним диаметром 5,0 см. Активный фотоупругий элемент был выровнен между входной и выходной оптикой и за тем присоединен к двум тонким резиновым мембранам, закрепленным сверху и снизу корпуса с помощью алюминиевых удерживающих колец. Преобразователь был заполнен воздухом. При отсутствии приложенного давления оптическая мощность, попадающая на два фотодетектора, составляла 41 и 17 мкВт соответственно. Для компенсации этой разницы оптических мощностей было подстроено усиление по напряжению двух фотодетекторов, путем использования на первом детекторе нагрузки 100 кОм и на втором — нагрузки 200 кОм. Эти два приблизительно равных выходных напряжения затем вычитались и усиливались в 10 раз с помощью дифференциального усилителя PAR модели 113. После этого выходной сигнал усилителя анализировался спектроанализатором Tektronix 7LS. Прибор был протестирован на калибраторе гидрофонов NRL G19 путем наблюдения за отношением сигнал/шум в приборе, подвергавшемся воздействию акустических волн известной интенсивности и частоты. Фактические акустические интенсивности проверялись при помощи калиброванного электрического гидрофона CH-17UT. Измерения показали, что динамический диапазон прибора превышает 120 дБ (где напряжение пропорционально давлению и дБ = 20 logV). Также было определено минимальное обнаружимое давление 47 дБ относительно 1 мкПа/

при 500 Гц. Кроме того, было установлено, что определение разности двух выходных сигналов обеспечивает подавление амплитудного шума от 10 до 12 дБ по сравнению с одноканальной характеристикой, что указывает на значительный амплитудный шум гелий-неонового источника. Хотя из-за отсутствия компенсации статического давления возможности применения данного акустического датчика ограниченны, он продемонстрировал, что по своим характеристикам волоконно-оптические акустические датчики могут сравняться или превзойти существующие электрические датчики.

Первая демонстрация волоконно-оптических акустических измерений на основе эффекта фотоупругости привела к демонстрации системы, в которой была реализована и протестирована волоконно-оптическая гидроакустическая антенная решетка на основе эффекта фотоупругости с компенсацией по температуре и статическому давлению, состоявшая из четырех отдельных преобразователей с общим оптическим источником и модулем регистрации. Процесс разработки, создания и тестирования действующей системы был слишком длинным, и его невозможно здесь подробно описать. Но каждому желающему выполнить дополнительную работу в этой области рекомендуется ознакомиться с заключительным отчетом по этой теме, спонсируемой лабораторией по морским исследованиям, как с практической иллюстрацией проблем, которые приходится преодолевать при создании реальных систем.

Из приведенного выше описания волоконно-оптических датчиков на основе эффекта фотоупругости понятно, что существует широкий спектр потенциальных возможностей их применения. Как правило, эти датчики кодируют изменения исследуемого параметра через изменения интенсивности регистрируемого оптического сигнала. Чтобы исключить ошибки, вызываемые изменениями оптической интенсивности, не обусловленными изменениями исследуемого параметра, необходимо использовать какой-либо внутренний опорный сигнал, а если это невозможно, то откалибровать датчик и поддерживать калибровку в течение всего времени эксплуатации. Продемонстрировано множество методов использования внутреннего опорного сигнала, часто в сочетании с мультиплексированием. Сочетание этих методов мультиплексирования и использования внутреннего опорного сигнала с продемонстрированными датчиками позволяет уже в настоящее время использовать датчики на основе эффекта фотоупругости, если анализ отношения эффективность/стоимость показывает, что такие системы предлагают достаточно существенные преимущества, чтобы преодолеть инерцию применения более традиционных электрических систем. Кроме того, предметом исследований являются альтернативные способы кодирования измерительной информации по длине волны, а не по интенсивности. Однако работа в этой области ограничена из-за отсутствия надежных широкополосных твердотельных источников, совместимых с волоконной оптикой, и трудностей обеспечения точной и эффективной по стоимости обработки модулированного сигнала. Современные разработки оптических излучателей/детекторов позволяют предположить, что спектральное кодирование может стать более реализуемым на практике, чем в прошлом, и по этой причине сейчас мы вернемся к анализу типа датчиков, использующих модуляцию по длине волны для кодирования информации о положении.

2.2 Измерение параметров светового излучения

Для большинства оптических датчиков важной характеристикой является их способность изменять параметры светового излучения (например, интенсивность) под действием управляющих сигналов, которая называется модуляцией света. Управляющие сигналы могут иметь различную природу. Приведем некоторые из них: температура, химические вещества с разными коэффициентами преломления, электрические поля, механическое напряжение и т.д. В этом разделе будет рассматриваться модуляция света под действием электрических сигналов и акустических волн.

Рисунок 2.9-Электрооптический модулятор, состоящий из двух поляризационных фильтров и кристалла

Коэффициент преломления в некоторых кристаллах зависит от приложенного электрического поля. Это объясняется природой распространения лучей света внутри кристалла. Обычно допустимые направления поляризации света определяются симметрией кристалла. Приложенное к кристаллу внешнее электрическое поле может изменить эту симметрию, и, следовательно, привести к модуляции интенсивности света. Одним из часто используемых материалов в электрооптических устройствах является ниобат лития (LiNbO₃). На рисунке 2.9 показан электрооптический модулятор, состоящий из кристалла, расположенного между двумя поляризационными фильтрами, ориентированными под углом 90° друг к другу Входной поляризатор ориентирован под углом 45° к оси кристалла .

Рисунок 2.10-Акустикооптический модулятор, создающий множество лучей

На поверхность кристалла прикреплены два электрода, при изменении напряжения на которых происходит изменение поляризации падающего света на втором поляризаторе, что, в свою очередь, ведет к модуляции интенсивности выходного излучения Подобный эффект можно наблюдать, когда кристалл подвергается воздействию механических сил, особенно, акустических волн. Однако акустико-оптические устройства используются в оптоволоконной технике, в основном, в качестве оптических фазовращателей и сравнительно редко как модуляторы интенсивности излучений. Акустические волны, проходя через кристалл, вследствие эффекта фотоупругости вызывают в нем механические напряжения, линейно изменяющие его коэффициент преломления. Это, в свою очередь, при определенных условиях приводит к отклонению выходящих оптических лучей, также проходящих через этот кристалл (Рисунок 2.10) Таким образом, акустические волны создают для лучей света как бы дифракционную решетку. Акустикооптические устройства часто изготавливаются из ниобата лития и кварца, которые способны работать с акустическими волнами в широком частотном диапазоне: от десятков МГц до нескольких ГГц. Скорость звука через ниобат лития составляет порядка 6х10³м/с, поэтому 1-ГГц акустическая волна, имеющая длину волны 6 мкм, сравнима с излучением в И К спектральном диапазоне.