ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ ДАТЧИК ТЕМПЕРАТУРЫ
FIBRE-OPTIC INTERFERENCE TEMPERATURE SENSOR

Изобретение относится к измерительной технике, а более конкретно к термометрии.
2
2
Из достигнутого уровня техники известен волоконно-оптический интерференционный датчик температуры, содержащий импульсный источник когерентного света (лазер), одномодовый волоконно-оптический разветвитель с первым, вторым и общим ввод-выводами, одномодовое оптическое волокно, измерительный термочувствительный оптический элемент, опорный термочувствительный оптический элемент, полупрозрачный отражатель и фотопреобразователь, подключенный своим выходом к блоку обработки импульсных сигналов. Измерительный и опорный термочувствительные оптические элементы представляют собой одинаковые, соответственно первый и второй, интерферометры Фабри-Перо, каждый из которых образован расположенным между двумя полупрозрачными отражателями (в виде слоя из TiO) отрезком одномодового оптического волокна, встроенного в упомянутое выше одномодовое оптическое волокно. Источник когерентного света и фотопреобразователь оптически связаны соответственно с первым и вторым ввод-выводами волоконно-оптического разветвителя, а его общий ввод-вывод оптически сопряжен с одним из торцов упомянутого выше одномодового оптического волокна, а полупрозрачный отражатель, в виде слоя из TiO, встроен в одномодовое оптическое волокно на участке, который расположен между первым и вторым интерферометрами Фабри-Перо, при этом расстояние от полупрозрачного отражателя до каждого из интерферометров Фабри-Перо много больше произведения длительности импульсов света, излучаемых источником света, на скорость света в одномодовом оптическом волокне (см. В.Д.Бурков и др. Волоконно-оптический термометр и его применение в измерении мощности СВЧ-поля с ферритовым преобразователем мощность-температура. Радиотехника и электроника, т.38, вып.11, 1993, с.2097-2113) [1].
Наличие в описанном выше волоконно-оптическом интерференционном датчике температуры опорного термочувствительного оптического элемента, а также полупрозрачного отражателя, расположенного на соответствующем расстоянии от каждого из интерферометров Фабри-Перо, обеспечивает за счет получения трех сигналов, обусловленных: отражением от резонатора, соответствующего первому интерферометру Фабри-Перо, отражением от полупрозрачного отражателя и отражением от резонатора, соответствующего второму интерферометру Фабри-Перо, независимость измеряемой температуры от: нестабильности источника когерентного света, волоконно-оптического тракта и фотопреобразователя, а также от дрейфа температуры окружающей среды.
Однако этот датчик имеет и недостатки, поскольку требуются значительные трудозатраты не только при его изготовлении (необходимость встраивания в одномодовое оптическое волокно двух пар полупрозрачных отражателей для образования резонаторов, соответствующих первому и второму интерферометрам Фабри-Перо, а также одного полупрозрачного отражателя, расположенного между упомянутыми выше резонаторами), но и при настройке упомянутых выше интерферометров в оптимальную рабочую точку (настройку первого интерферометра Фабри-Перо осуществляют перестройкой длины излучения источника когерентного света, а второго интерферометра Фабри-Перо - путем нанесения на свободный торец одномодового оптического волокна слоя с толщиной, необходимой, чтобы и второй интерферометр Фабри-Перо находился в оптимальной точке). Кроме того, необходимость селекции импульсных сигналов для их дальнейшей обработки приводит к существенному усложнению блока обработки импульсных сигналов.
k
Известен также волоконно-оптический интерференционный датчик температуры, взятый в качестве прототипа и содержащий низкокогерентный источник света (суперлюминесцентный диод с продольной длиной когерентности L=30 мкм), два светоделителя, модулятор оптического пути, подвижное зеркало, выполненное с возможностью перемещения вдоль направления распространения отраженного им света и снабженное датчиком положения, многомодовое оптическое волокно, термочувствительный оптический элемент в виде плоскопараллельной пластины, выполненный из материала, прозрачного в диапазоне длин волн, соответствующих спектру излучения источника света и имеющего известную температурную зависимость показателя преломления. Источник света посредством первого светоделителя оптически связан, с одной стороны, с расположенным на его оси подвижным зеркалом, а с другой стороны - с модулятором оптического пути, при этом модулятор оптического пути, первый светоделитель, второй светоделитель и первый торец многомодового оптического волокна расположены последовательно вдоль оптической оси, перпендикулярной оси источника света. Второй торец многомодового оптического волокна оптически сопряжен с пластиной таким образом, чтобы свет, отраженный от каждой поверхности пластины, направлялся обратно в многомодовое оптическое волокно, а фотопреобразователь посредством второго светоделителя оптически связан с первым торцом многомодового оптического волокна (см. патент RU-C1 - №2141621, 1999) [2].
Безусловное достоинство прототипа заключается в возможности, во-первых, использования более дешевого источника света, а во-вторых, в использовании термочувствительного оптического элемента простейшей конструкции - в виде плоскопараллельной пластины и оптически прозрачного материала в диапазоне длин волн, соответствующих спектру излучения источника света.
Однако использование в прототипе отдельных оптических деталей, а также узлов, имеющих достаточно сложную конструкцию (модулятора оптического пути, подвижного зеркала), закрепленных на соответствующем основании, приводит к существенному увеличению весогабаритных характеристик волоконно-оптического интерференционного датчика температуры. Следствием вышесказанного является существенное сужение области использования прототипа. Кроме того, необходимость осуществления спектрального анализа сигнала с выхода фотопреобразователя также приводит к усложнению датчика, а следовательно, к увеличению его стоимости.
Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи по созданию волоконно-оптического интерференционного датчика температуры, имеющего простую конструкцию, небольшие весогабаритные характеристики, удобного в использовании и обеспечивающего высокую точность измерения температуры за счет исключения погрешностей, обусловленных нестабильностью источника света и волоконно-оптического тракта.
1
2
1
2
k
k
Поставленная задача решена тем, что волоконно-оптический интерференционный датчик содержит низкокогерентный источник света, одномодовый волоконно-оптический разветвитель с первым, вторым и общим ввод-выводами, волоконно-оптический деполяризатор, одномодовый волоконно-оптический ответвитель с четырьмя ввод-выводами, два фотопреобразователя, подключенные своими выходами к входам измерителя отношения сигналов, измерительный термочувствительный оптический элемент и размещенный в термостате опорный термочувствительный оптический элемент, при этом термостат выполнен с возможностью изменения значения стабилизируемой им температуры, а упомянутый выше источник света оптически связан с первым ввод-выводом одномодового волоконно-оптического разветвителя, общий ввод-вывод которого оптически связан с измерительным термочувствительным оптическим элементом, а его второй ввод-вывод через волоконно-оптический деполяризатор оптически связан с первым ввод-выводом одномодового волоконно-оптического ответвителя, второй, третий и четвертый ввод-выводы которого оптически связаны соответственно с опорным термочувствительным оптическим элементом, вторым и первым фотопреобразователями, при этом измерительный и опорный термочувствительные оптические элементы выполнены в виде соответственно первой плоскопараллельной пластины толщиной D и второй плоскопараллельной пластины толщиной D, первая и вторая пластины выполнены из материала, прозрачного в диапазоне длин волн, соответствующих спектру излучения источника света, а толщины пластин удовлетворяют следующему соотношению 2n(Т)·(D-D)<L, где n(Т) - температурная зависимость показателя преломления материала пластин, а L - продольная длина когерентности источника света.
В предпочтительном воплощении изобретения первая и вторая пластины установлены на торце соответствующего каждой из них одномодового оптического волокна, обеспечивающего оптическую связь соответственно с общим ввод-выводом одномодового волоконно-оптического разветвителя и со вторым ввод-выводом одномодового волоконно-оптического ответвителя.
Преимущество патентуемого волоконно-оптического интерференционного датчика температуры, по сравнению с прототипом, заключается в том, что отсутствие в нем узлов, имеющих достаточно сложную конструкцию (модулятора оптического пути, подвижного зеркала), а также замена светоделительных кубиков на имеющие существенно меньшие размеры элементы волоконной оптики позволили не только упростить конструкцию датчика, но и уменьшить его весогабаритные характеристики. Введение же опорного термочувствительного оптического элемента, а также размещение его в термостате, который выполнен с возможностью изменения значения стабилизируемой им температуры (совместно с другими перечисленными выше существенными признаками), обеспечивают упрощение работы, в частности осуществление настройки интерферометра в оптимальную рабочую точку в каждом конкретном случае. Использование же волоконно-оптического деполяризатора и первого фотопреобразователя обеспечивает устранение погрешности измерений, обусловленных нестабильностью источника света и волоконно-оптического тракта. Что касается установки первой и второй пластин на торце соответствующего каждой из них одномодового оптического волокна, то это также приводит к повышению точности измерений за счет исключения влияния потерь света в зазоре между торцом оптического волокна и передней поверхностью каждой пластины на результаты измерений температуры.
Остальные технические результаты, достигаемые упомянутой выше патентуемой совокупностью существенных признаков, станут ясными из дальнейшего изложения.
На чертеже схематично изображен волоконно-оптический интерференционный датчик температуры.
1
2
Волоконно-оптический интерференционный датчик температуры содержит низкокогерентный источник 1 света, предпочтительно (как в прототипе) суперлюминесцентный диод, одномодовый волоконно-оптический разветвитель 2 с первым 3, вторым 4 и общим ввод-выводами (портами), одномодовый волоконно-оптический ответвитель 6 с первым 7, вторым 8, третьим 9 и четвертым 10 ввод-выводами, первый 11 и второй 12 фотопреобразователи, волоконно-оптический деполяризатор 13, измерительный термочувствительный оптический элемент в виде плоскопараллельной пластины 14 толщиной D и выполненной из материала, прозрачного в диапазоне длин волн, соответствующих спектру излучения источника 1 света, и имеющего известные температурные зависимости показателя преломления и линейных размеров, опорный термочувствительный оптический элемент в виде плоскопараллельной пластины 15 толщиной D, выполненной также из материала, прозрачного в диапазоне длин волн, соответствующих спектру излучения источника света 1, и имеющего известные температурные зависимости показателя преломления и линейных размеров (предпочтительно в обоих упомянутых выше случаях - из кварца), а также термостат 16, выполненный с возможностью изменения (предпочтительно плавного) значения стабилизируемой им температуры. Все перечисленные выше элементы волоконной оптики (одномодовый волоконно-оптический разветвитель 2, одномодовый волоконно-оптический ответвитель 6 и волоконно-оптический деполяризатор) не только известны из уровня техники (см. Т.Окоси и др. Волоконно-оптические датчики. Л.: Энергоатомиздат. Ленинградское отделение, 1991 [3], с.50-51, 56-57, 125-126), но и промышленно выпускаются.
Перечисленные выше функциональные узлы волоконно-оптического интерференционного датчика температуры посредством соответствующих одномодовых оптических волокон (на чертеже показаны двумя эквидистантно расположенными линиями) оптически связаны между собой следующим образом. Источник 1 света оптически связан с первым ввод-выводом 3 одномодового волоконно-оптического разветвителя 2, общий ввод-вывод 5 которого оптически связан с пластиной 14. Второй ввод-вывод 4 одномодового волоконно-оптического разветвителя 2 через волоконно-оптический деполяризатор 13 оптически связан с первым ввод-выводом 7 одномодового волоконно-оптического ответвителя 6, второй 8, третий 9 и четвертый 10 ввод-выводы которого оптически связаны соответственно с пластиной 15, со вторым фотопреобразователем 12 и с первым фотопреобразователем 11. Пластина 15 размещена в термостате 16, при этом пластины 14 и 15 установлены на торце соответствующего каждой из них одномодового оптического волокна, обеспечивающего оптическую связь соответственно с общим ввод-выводом 5 и вторым ввод-выводом 8. Фотопреобразователи 11 и 12 подключены своими выводами к соответствующим входам измерителя отношения сигналов (на чертеже не показан).
В предпочтительном воплощении изобретения используется термостат 16 на полупроводниковых термоэлектрических элементах (см. Автоматизация производства и промышленная электроника, М.: Советская энциклопедия, т.4, 1965, с.33-34 [4]), обеспечивающих малые габариты, простоту регулировки температуры и невысокую стоимость. Что касается волоконно-оптического деполяризатора, то он (см. [3], с.56-57) выполнен из двух отрезков 17 и 18 одномодового поляризационно удерживающего волокна с соотношением длин 1:2, соосно сваренных друг с другом с поворотом их поляризационных осей на угол 45°. Длины отрезков 17 и 18 подобраны таким образом, чтобы гарантировать разбежку ортогональных мод на длину, большую продольной длины когерентности источника 1 света.
к
1
1
1
k
1
Волоконно-оптический интерференционный датчик температуры работает следующим образом. Излучение с продольной длиной когерентности - L от источника 1 света поступает сначала на первый ввод-вывод 3 одномодового волоконно-оптического разветвителя 2, а далее с его общего ввод-вывода 5 по соответствующему одномодовому оптическому волокну направляется на расположенную на его торце пластину 14. Падающее на пластину 14 излучение отражается от обеих ее поверхностей. В результате обратно в одномодовое оптическое волокно, оптически сопряженное с общим ввод-выводом 5, возвращаются две световые волны, отраженные соответственно от передней и задней поверхностей пластины 14 и имеющие оптическую разность хода L(t)=2D·n(T), где n(T) - зависимость показателя преломления материала пластины от температуры - Т, при этом L(T)>L. Здесь принято во внимание, что вклад термического изменения толщины - D пластины 14 из кварца в изменение оптической разности хода с изменением температуры составляет всего несколько процентов по сравнению с температурным изменением показателя преломления (см. А.Н.Магунов. Лазерная термометрия твердых тел, М.: Физматлит, 2002 [5]). Достигшая второго ввод-вывода 4 одномодового волоконно-оптического разветвителя 2 часть этих волн направляется через волоконно-оптический деполяризатор 13 на первый ввод-вывод 7 одномодового волоконно-оптического ответвителя 6. Необходимость использования волоконно-оптического деполяризатора 13 обусловлена, с одной стороны, зависимостью коэффициента деления одномодового волоконно-оптического ответвителя 6 от состояния поляризации света на его ввод-выводе 7, а с другой стороны, состояние поляризации света в одномодовом оптическом волокне может быть произвольным и зависящим от внешних воздействий (скрутки, изгиба, температуры и т.д.).
В результате введения в патентуемое устройство волоконно-оптического деполяризатора 13 обеспечивается исключение влияния флуктуации состояния поляризации света, прошедшего измерительный участок, на результаты измерений температуры, поскольку на первый ввод-вывод 7 одномодового волоконно-оптического ответвителя 6 поступает неполяризованный свет.
k
1
2
k
2
2
1
2
k
После одномодового волоконно-оптического ответвителя 6 часть упомянутых выше световых волн направляется с его второго ввод-вывода 8 на пластину 15, а другая часть этих же световых волн направляется с четвертого ввод-вывода 10 на фотопреобразователь 11. Поскольку поступающие на фотопреобразователь 11 оптические волны имеют оптическую разность хода, превышающую L источника 1 света, то на фотопреобразователе 11 интерференция будет отсутствовать, а сигнал с его выхода будет содержать информацию о флуктуациях излучения источника 1 света, а также об оптических потерях, имеющих место в измерительном участке патентуемого устройства. При этом, как уже отмечалось выше, введение волоконно-оптического деполяризатора 13 обеспечивает независимость сигнала с выхода фотопреобразователя 11 от флуктуаций состояния поляризации света, прошедшего измерительный участок. Каждая из падающих на пластину 15 световая волна отражается от обеих ее поверхностей. В результате на второй ввод-вывод 8 одномодового волоконно-оптического ответвителя обратно возвращаются четыре световые волны, а именно две световые волны, отраженные от передней поверхности пластины 15, и две световые волны, отраженные от задней поверхности пластины 15. После разветвления часть этих четырех световых волн с третьего ввод-вывода 9 одномодового волоконно-оптического ответвителя 6 поступает на фотопреобразователь 12. При этом световая волна, отраженная сначала от задней поверхности пластины 14, а затем - от передней поверхности пластины 15, будет интерферировать со световой волной, отраженной сначала от передней поверхности пластины 14, а затем - от задней поверхности пластины 15, если L(Т)-L(Т)<L, где L(T)=2D·n(T) - оптическая разность хода волн, образующихся из световой волны, отраженной от передней поверхности пластины 14, после ее отражения от передней и задней поверхностей пластины 15. Таким образом, при толщине пластин 14 и 15, удовлетворяющих соотношению: 2n(T)·(D-D)<L, на фотопреобразователе будет наблюдаться интерференция упомянутых выше волн, а сигнал на его выходе (в случае использования источника 1 света, имеющего спектральную плотность мощности, описываемую функцией Гаусса) будет иметь вид:
1
2
т
o
1
2
т
k
1
2
т
o
т
1
т
2
2
I[L(Т)-L(T)]=I[ехр(-[L(Т)-L(T)]/(2L ))]·cos{2k[L(T)-L(Т)]}, где k=2π/λ - центральная длина волны излучения источника 1 света, Т - температура контролируемого объекта, в тепловом контакте с которым размещена пластина 14, T - температура термостата 16, в котором размещена пластина 15. Из приведенного выше выражения следует, что сигнал с выхода фотопреобразователя 12 зависит от интенсивности света источника 1 света и разности температур пластин 14 и 15. Отношение же сигналов - S с выходов фотопреобразователей 12 и 11 определяется только разностью оптических разностей ходов L(Т) и L2 (T), а следовательно, разностью температур пластин 14 и 15, а именно:
1
2
т
k
1
2
т
2
2
S=А+В{ехр[-[L(Т)-L(T)]/(2L )]}·cos{2k[L(Т)-L(Т)]}, где постоянные А и В зависят от коэффициентов отражения света от поверхностей пластин 14 и 15, которые практически не зависят от температуры.
Таким образом, патентуемое устройство обеспечивает получение сигнала, зависящего от разности температур пластин 14 и 15 и не зависящего от нестабильности источника 1 света и волоконно-оптического тракта. Иными словами, обеспечивается устранение погрешностей измерения температуры объекта, обусловленных нестабильностью источника 1 света и волоконно-оптического тракта.
т
Аналогично тому, как в [1], патентуемый волоконно-оптический интерференционный датчик температуры должен работать (для обеспечения однозначности показаний) в пределах одного полупериода интерференционных полос, при этом, изменяя с помощью термостата 16 температуру T пластины 15, можно осуществить настройку интерферометра в оптимальную рабочую точку в каждом конкретном случае. Таким образом, патентуемое устройство не требует сложной обработки сигналов с выходов фотопреобразователей 11 и 12 (требуется только измеритель отношения сигналов), имеет небольшие весогабаритные параметры, а также позволяет легко производить настройку интерферометра в оптимальную рабочую точку.
В заключение необходимо отметить, что в общем случае изменение оптической толщины пластин 14 и 15 описывается выражением:
0
0
0
где D(T) и n(T) - толщина и коэффициент преломления при температуре, равной Т. Что касается максимального рабочего диапазона ΔТ измерений, то он определяется выражением:
Иными словами толщина пластин 14 и 15 будет определять диапазон измеряемых температур.
Промышленная применимость патентуемого устройства подтверждается также известностью используемых в нем элементов волоконной оптики.