ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА МУЛЬТИПЛЕКСИРОВАНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ КАНАЛОВ

Предложенное техническое решение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в волоконно-оптических измерительных системах для измерений различных физических величин, например, усилий, давлений, линейных и угловых перемещений, температуры и др.
Наиболее близким техническим решением является пассивная мультиплексная система, в состав которой входит набор соответствующих волоконно-оптических датчиков (ВОД), к типам которых предъявляются особые требования и которые предназначены для получения и передачи измерительной информации (см. В.И.Бусурин, Ю.Р.Носов «Волоконно-оптические датчики: физические основы, вопросы расчета и применения » М. Энергоатомиздат, 1990, стр.231-235).
Волоконно-оптическая система (ВОС) мультиплексирования измерительных каналов содержит источник излучения, светоделитель излучения, сопряженный с источником излучения, ВОД, содержащий чувствительный элемент в виде волоконного световода, фотоприемник, регистрирующий мощность оптического излучения, блок обработки информации.
При пассивном мультиплексировании измерительной информации, энергия от источника излучения с помощью делителей излучения распределяется между соответствующими ВОД.
В ВОД происходит модуляция пропускаемой через него части оптического излучения (например, амплитудная), которое затем направляется к фотоприемнику.
При импульсном режиме работы источника, оптические импульсы, приходящие к фотоприемнику от датчиков, разнесены во времени за счет разной оптической длины пути волоконных световодов.
Недостатком известного устройства является следующее.
Амплитуда модуляции мощности излучения в приборах этого класса, определяемая величиной входного воздействия, в процессе измерения зависит также от нестабильности оптических характеристик волоконного световода, а также от его конструкции, прочности и схемы приложения к датчику внешнего воздействия. Кроме того, чувствительность ВОС определяется чувствительностью ВОД, т.е. ограничена минимально детектируемой величиной измеряемого параметра.
Таким образом, эффективность работы такой ВОС (точность, диапазон, чувствительность) зависит от эффективности работы каждого измерительного канала и, следовательно, от выбора конструкции чувствительного элемента и способа преобразования входного воздействия.
Цель настоящего технического решения - улучшение технических характеристик мультиплексной ВОС, а именно - увеличение точности, динамического диапазона измерений и повышение чувствительности системы.
λ/2
Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в волоконно-оптической системе мультиплексирования измерительных каналов, содержащей источник излучения, светоделитель излучения, сопряженный с источником излучения, волоконно-оптический датчик, содержащий чувствительный элемент в виде волоконного световода, фотоприемник, регистрирующий мощность оптического излучения датчика, блок обработки информации, в качестве чувствительного элемента использован одномодовый волоконный световод, выполненный в виде петли радиуса R, сопряженный с анализатором, расположенным между чувствительным элементом и фотоприемником, где λ - длина волны источника излучения, при этом оси чувствительности петель ориентированы в 3-х измерительных каналах взаимно ортогонально, а суммарное число измерительных каналов в волоконно-оптической системе равно 3n, где n - число измеряемых параметров, в качестве источника излучения использован гелий-неоновый (Не-Nе) лазер.
На фиг.1 представлена схема предлагаемого устройства.
λ/2
Устройство содержит 1 - источник излучения - He-Ne лазер, 2 - светоделитель излучения, 3 - одномодовый волоконный световод, 4 - чувствительный элемент, выполненный в виде петли заданного радиуса R, 5 - анализатор, 6 - фотоприемник, регистрирующий излучение в каждом измерительном канале, 7 - блок обработки информации, 8 -основание, на котором жестко крепится петля 4.
Суть предлагаемого технического решения заключается в следующем.
При изгибе волоконного световода (ВС) из-за механических повреждений изменяется распределение показателей преломления в поперечном сечении световода.
Это изменение пропорционально величине напряжений, а коэффициент пропорциональности называется упругооптической постоянной.
Возникающее при изгибе двулучепреломление характеризуется величиной:
Расчет напряжений в структуре ВС, изогнутого с радиусом R, приводит к выражению:
11
12
11
12
где r - радиус световода; v - коэффициент Пуассона (v=0,17 для кварцевого стекла); ρ и ρ - компоненты упругооптического тензора материала ВС (ρ-ρ=-0,15 для кварца); n - показатель преломления (n=1,46).
Например, для длины волны He-Ne лазера 0,63 мкм имеем:
В предлагаемом устройстве радиус кривизны петли выбирается таким, чтобы изогнутый световод выполнял роль полуволновый пластинки, т.е. чтобы плоско-поляризованный луч, проходя через петлю, испытал двулучепреломление с разностью фаз π. Это условие можно записать в следующем виде:
λ/2
Отсюда получаем выражение для R
Каждая из трех петель чувствительного элемента 4 может поворачиваться относительно оси OZ, где OZ - направление распространения излучения, OX, OY - оси наведенного эллипсоида поляризации в плоскости, перпендикулярной оси OZ.
ВОС работает следующим образом.
В исходном положении основание 8 с петлей 4 в каждом измерительном канале поворачивается относительно направления распространения излучения (оси OZ) таким образом, чтобы сигнал, снимаемый с фотоприемника 6, имел максимальное значение. Это означает, что в каждом из 3-х измерительных каналов вектор плоскости поляризации света, прошедшего петлю, и вектор пропускания соответствующего анализатора совпадают. При повороте основания 8 с петлей 4 относительно оси OZ на угол α угол между вектором поляризации излучения на входе анализатора 5 (за петлей 4) и вектором пропускания этого анализатора составит 2α.
Соответствующая оптическая мощность Р на входе фотоприемника 6 определяется по закону Малюса:
0
где P - оптическая мощность на входе петли 4;
τ - коэффициент светопропускания.
Следует подчеркнуть, что каждая из петель 4 имеет ось чувствительности, совпадающую с направлением распространения излучения. Это означает, что три измерительных канала, в которых направление распространения света взаимно ортогонально, выдают информацию об угловом перемещении объекта в едином масштабе времени, по трем взаимно ортогональным осям вращения. В предлагаемом устройстве отсутствует индуцированное двулучепреломление чувствительного элемента от внешних воздействий, что исключает перечисленные выше составляющие погрешностей, упрощает конструкцию и способ преобразования внешних воздействий, расширяет динамический диапазон и увеличивает чувствительность предлагаемой ВОС.