ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКАЯ СЕНСОРНАЯ СИСТЕМА
FIBER-OPTIC SENSOR SYSTEM

Изобретение относится к оптико-электронному приборостроению и может быть использовано в конструкциях волоконно-оптических преобразователей физических величин, предусматривающих интерференционный съем измеряемого сигнала. Наиболее эффективно его использовать в конструкции приборов микротехнологического исполнения, особенно микроминиатюрных приемников звуковых сигналов (микрофонов, гидрофонов, виброфонов, фонендоскопов и т.п.).
Известна волоконно-оптическая сенсорная система (ВОСС), содержащая широкополосный источник излучения, волоконный световод, выполненный с образованием измерительного и эталонного оптических каналов, поляризационный датчик межмодовой интерференции, фотоприемник, подключенный к блоку обработки и отображения информации, сканирующий деформатор, установленный на волоконный световод, и блок управления сканирующим деформатором (RU 2036419, G01B 21/00, 1995).
Однако данные конструкции являются громоздкими и обладают низкой чувствительностью из-за съема информации в виде изменения амплитуды используемого информационного сигнала.
Среди специализированных ВОСС известна конструкция, предназначенная для измерения температуры, содержащая совместно выполненные на базе волоконно-оптического лазера (ВОЛ) каналы возбуждения и интерференционного съема информации, микрорезонатор, модулирующий излучение ВОЛ, фотоприемник и блок обработки и отображения информации (RU 2110049, G01K 11/32, G02B 6/00, 1998). Для повышения чувствительности, точности и стабильности системы один конец световода ВОЛ сопряжен с модифицированным автоколлиматором, расположенным между этим торцом и микрорезонатором с формированием в плоскости отражающей поверхности микрорезонатора светового пятна заданных размеров, а второй является выходным (RU 2161783, G01K 11/32, 2001).
Однако данные технические решения сложны в изготовлении и эксплуатации, так как требуют регулярной юстировки узлов микрорезонатора и коллиматора. Кроме того, они имеют преимущественной сферой использования измерение температуры.
Известна также БОСС для измерения перемещений, содержащая источник оптического излучения, интерферометрический сенсор микроперемещений, волоконно-оптический разветвитель, выполненный из одномодовых оптических волокон, фотоприемник, оснащенный полосовым светофильтром, управляющее устройство и пьезоэлектрический исполнительный механизм, установленный с возможностью перемещения интерферометрического сенсора, где выход источника оптического излучения подключен к первому входу волоконно-оптического разветвителя, второй вход волоконно-оптического разветвителя подключен к интерферометрическому сенсору для возможности передачи света от источника оптического излучения и приема оптического интерференционного сигнала от сенсора, выход волоконно-оптического разветвителя подключен к фотоприемнику, выход фотоприемника подключен ко входу управляющего устройства, а выход управляющего устройства подключен к электрическому входу пьезоэлектрического исполнительного механизма (Davis P.G., Busch I.J., Maurer G.S. Fiber Optic Displacement Sensor. - Fourth Pacific Northwest Optic Sensor Workshop, May 6,1998 SPIE VOLTBD Courtesy Optiphase, Inc.).
Недостатком данного устройства является громоздкость узла перемещения интерферометрического сенсора и узкий динамический диапазон (не более 200 мкм) измеряемых микроперемещений.
Известна также ВОСС, содержащая источник оптического излучения с длиной когерентности 80-120 мкм, интерферометрический сенсор, оснащенный чувствительной мембраной, волоконно-оптический разветвитель, выполненный из одномодовых оптических волокон, фотодетектор и усилитель электрического сигнала, где выход источника оптического излучения подключен к первому входу волоконно-оптического разветвителя, второй вход волоконно-оптического разветвителя подключен к интерферометрическому сенсору для возможности передачи света от источника оптического излучения и приема оптического интерференционного сигнала от сенсора, выход волоконно-оптического разветвителя связан с оптическим входом фотодетектора, а выход фотодетектора подключен к входу усилителя электрического сигнала. Для автоподстройки положения рабочей точки волоконно-оптическая сенсорная система оснащена также двухканальным интерферометрическим преобразователем опорного сигнала, при этом усилитель электрического сигнала связан с входами первого и второго каналов интерферометрического преобразователя, а оптический выход интерферометрического преобразователя выполнен с образованием оптической обратной связи данного преобразователя с интерферометрическим сенсором (US 5094534, G01B 9/02, 1992).
Недостатком данного устройства является узкий частотный диапазон чувствительности, недостаточный, в частности, для работы в качестве микрофона, что усугубляется инерционностью элементов двухканального интерферометрического преобразователя. Кроме того, оно является громоздким и сложным в изготовлении и эксплуатации, требует тщательной начальной и периодической юстировки оптических каналов.
н
Известна также ВОСС, содержащая лазерный источник оптического излучения с высокой когерентностью, интерферометрический сенсор, оснащенный чувствительной мембраной, селектор, коммутатор, не менее двух оптико-электронных преобразователей (ОЭП), каждый из которых включает волоконно-оптический разветвитель, выполненный из одномодовых оптических волокон, фотодетектор и усилитель электрического сигнала, вход которого подключен к выходу фотодетектора, а выходы подключены к соответствующим входам селектора через детекторы среднего уровня электрического сигнала для автоматического выбора ОЭП, с которого производится съем текущей информации, выход селектора подключен к управляющему входу коммутатора, информационные входы коммутатора соединены с выходами усилителей электрического сигнала соответствующих оптико-электронных преобразователей, при этом первые входы волоконно-оптических разветвителей связаны с лазерным источником оптического излучения через делитель оптического излучения, интерферометрический сенсор подключен ко вторым входам волоконно-оптических разветвителей, которые выполнены с возможностью передачи света в интерферометрический сенсор и приема оптического интерференционного сигнала, выходы волоконно-оптических разветвителей связаны с оптическими входами фотодетекторов, причем торцы вторых входов волоконно-оптических разветвителей оптико-электронных преобразователей расположены на разных расстояниях до светоотражающей поверхности мембраны интерферометрического сенсора в окрестности ±0,2λ от l, причем
н
где l - номинальное значение расстояния от торца оптического волокна второго входа волоконно-оптического разветвителя до светоотражающей поверхности мембраны интерферометрического сенсора (мкм), соответствующее оптимальному положению рабочей точки ВОСС;
λ - длина волны оптического излучения, мкм;
n - нечетное число из интервала [1001-3001] (RU 2006115899, G01B 9/00, 9/02, 2006).
Однако такая система имеет низкую надежность, поскольку из-за произвольного задания начального положения рабочих точек ОЭП в окрестности ±0,2λ все они могут значительно отличаться от номинального положения, и, кроме того, в результате паразитных воздействий на интерферометрический сенсор все рабочие точки могут значительно смещаться от номинального положения. Кроме того, устройство является громоздким и сложным в изготовлении и эксплуатации, требует тщательной юстировки оптических каналов.
Наиболее близкой к заявляемой по технической сущности и достигаемому результату является ВОСС, содержащая лазерный источник оптического излучения с высокой когерентностью, сенсор, оснащенный чувствительной мембраной, и оптико-электронный преобразователь (ОЭП), включающий волоконно-оптический разветвитель, выполненный из одномодовых оптических волокон, фотодетектор и усилитель электрического сигнала, в которой выход источника оптического излучения подключен к первому входу волоконно-оптического разветвителя, второй вход волоконно-оптического разветвителя подключен к сенсору с возможностью передачи света от источника оптического излучения к сенсору, а выход фотодетектора подключен к усилителю электрического сигнала, причем выход волоконно-оптического разветвителя непосредственно связан с оптическим входом фотодетектора, а подключение волоконно-оптического разветвителя к сенсору выполнено из расчета
где l - расстояние от торца оптического волокна второго входа волоконно-оптического разветвителя до светоотражающей поверхности мембраны интерферометрического сенсора, мкм;
λ - длина волны оптического излучения, мкм;
n - нечетное число из интервала [1001-3001] для одновременного приема оптического интерференционного сигнала от сенсора и передачи этого сигнала к входу фотодетектора. Для регулирования положения рабочей точки данная система оснащена полупроводниковым лазером и контуром прецизионного регулирования положения рабочей точки с управляющим воздействием на температуру полупроводникового лазера по статической составляющей сигнала обратной связи от фотодетектора, в которой в качестве терморегулирующего органа использован элемент Пельтье (RU 2279112, G02F 1/00, G01B 9/00, 2006).
Однако такая ВОСС обладает ограниченным диапазоном работоспособности, поскольку при изменении температуры полупроводникового лазера изменяется не только длина волны, но и мощность его оптического излучения, что приводит к снижению «видности» интерференционной картины.
Технической задачей предлагаемого устройства является расширение диапазона работоспособности за счет стабилизации мощности излучения полупроводникового лазера при изменении его температуры.
Решение указанной технической задачи заключается в том, что в конструкцию ВОСС, содержащую полупроводниковый лазер, интерферометрический сенсор, оснащенный чувствительной мембраной, волоконно-оптический разветвитель, выполненный из одномодовых оптических волокон, фотодетектор, усилитель электрического сигнала, автоматический регулятор и терморегулирующий элемент Пельтье, установленный с возможностью воздействия на температуру полупроводникового лазера, в которой выход полупроводникового лазера подключен к первому входу волоконно-оптического разветвителя, интерферометрический сенсор подключен ко второму входу волоконно-оптического разветвителя с возможностью передачи света от полупроводникового лазера и приема оптического интерференционного сигнала от интерферометрического сенсора, выход волоконно-оптического разветвителя связан с входом фотодетектора, выход фотодетектора подключен к усилителю электрического сигнала и к входу автоматического регулятора, выход которого подключен к терморегулирующему элементу Пельтье, вносятся следующие изменения:
1) в качестве волоконно-оптического разветвителя используется разветвитель с двумя входами и двумя выходами;
2) БОСС дополнительно содержит второй фотодетектор и второй автоматический регулятор, причем второй выход разветвителя связан с входом второго фотодетектора, выход которого через второй автоматический регулятор подключен к полупроводниковому лазеру.
Внесенные изменения позволяют обеспечить стабилизацию мощности излучения полупроводникового лазера в широком диапазоне изменения его температуры за счет управления током питания полупроводникового лазера по сигналу обратной связи от второго фотодетектора. Расширение диапазона изменения температуры полупроводникового лазера приводит к расширению диапазона регулирования положения рабочей точки системы и, следовательно, к расширению диапазона работоспособности системы.
На фиг.1 приведена блок-схема волоконно-оптической сенсорной системы; на фиг.2 представлены экспериментально измеренные зависимости параметров системы от температуры полупроводникового лазера; в таблице указаны значения пороговой чувствительности системы при различном положении рабочей точки.
Волоконно-оптическая сенсорная система (фиг.1) содержит полупроводниковый лазер 1, интерферометрический сенсор 2, оснащенный чувствительной мембраной 3, волоконно-оптический разветвитель 4, выполненный из одномодовых оптических волокон, первый фотодетектор 5, усилитель 6 электрического сигнала, блок регистрации 7, первый автоматический регулятор 8, терморегулирующий элемент Пельтье 9, второй фотодетектор 10 и второй автоматический регулятор 11.
Выход полупроводникового лазера 1 подключен к первому входу волоконно-оптического разветвителя 4, второй вход волоконно-оптического разветвителя 4 подключен к интерферометрическому сенсору 2 с возможностью передачи излучения от полупроводникового лазера 1 и приема оптического интерференционного сигнала от сенсора 2. Первый выход волоконно-оптического разветвителя 4 связан с входом первого фотодетектора 5, а выход первого фотодетектора 5 подключен к усилителю 6 электрического сигнала, к выходу которого подключено соответствующее регистрирующее устройство 7 (осциллограф, компьютер, световой индикатор, динамик и т.д.). Вход первого автоматического регулятора 8 связан с выходом первого фотодетектора 5, выход первого автоматического регулятора 8 связан с терморегулирующим элементом Пельтье 9, установленным с возможностью изменения температуры полупроводникового лазера 1. Второй выход волоконно-оптического разветвителя 4 связан с входом второго фотодетектора 10, выход которого через второй автоматический регулятор 11 подключен к входу питания полупроводникового лазера 1.
ВОСС работает следующим образом. Оптическое излучение от полупроводникового лазера 1 поступает на первый вход волоконно-оптического разветвителя 4, и далее с его второго входа - на интерферометрический сенсор 2. Часть этого излучения отражается от выходного торца оптического волокна, а другая часть излучения проходит расстояние l и, отразившись от чувствительной мембраны 3 интерферометрического сенсора 2, поступает в обратном направлении в указанный торец того же оптического волокна. В связи с тем что установочное значение расстояния l не превышает половины длины когерентности излучения полупроводникового лазера 1, указанные световые потоки складываются когерентно, формируя, таким образом, интерференционную картину. Интерференционная картина с первого выхода волоконно-оптического разветвителя 4 поступает на первый фотодетектор 5, с которого принимается усилителем 6 электрического сигнала и поступает с выхода последнего на блок регистрации 7.
н
Оптимальное положение рабочей точки системы на статической характеристике соответствует условию, когда торец оптического волокна в интерферометрическом сенсоре 2 установлен на номинальном расстоянии от чувствительной мембраны 3, определяемом формулой (1), а именно l=0,125λn, при нечетном значении n в диапазоне [1001÷3001]. Статическая характеристика представляет собой установившееся значение сигнала на выходе первого фотодетектора в зависимости от положения рабочей точки при отсутствии помехи. Результаты испытания вариантов целевых конструкций с полупроводниковыми лазерами при длине волны излучения λ=1,55 и 1,30 мкм представлены в табл.1. Как видно из таблицы, наилучшая пороговая чувствительность образцов ВОСС достигается при оптимальном положении рабочей точки системы. В этом случае пороговая чувствительность составляет 0,008÷0,01 нм при λ=1,55 мкм и 0,005÷0,006 нм при λ=1,30 мкм. При выходе за указанный диапазон изменения n чувствительность системы уменьшается за счет потери контраста интерференционной картины. При четных значениях n система нечувствительна из-за попадания рабочей точки на нечувствительный участок косинусоидальной интерференционной зависимости выходного сигнала системы от значения l.
В условиях действия на интерферометрический сенсор 2 внешних помех (температуры, давления, вибрации и др.), происходит смещение чувствительной мембраны от торца оптического волокна относительно номинального расстояния, поэтому для расширения диапазона работоспособности системы необходимо регулирование положения рабочей точки. Изменение положения рабочей точки в интерферометрических системах возможно за счет изменения расстояния l или перестройки длины волны λ лазерного излучения. В данной системе регулирование положения рабочей точки основано на известной зависимости длины волны излучения полупроводникового лазера от его температуры. Такое регулирование осуществляет первый автоматический регулятор 8 и терморегулирующий элемент Пельтье 9, установленный с возможностью изменения температуры полупроводникового лазера 1. На первый автоматический регулятор 8 подается статическая составляющая сигнала первого фотодетектора 5, которая пропорциональна положению рабочей точки на статической характеристике ВОСС. В первом автоматическом регуляторе 8 формируется управляющий сигнал, пропорциональный отклонению рабочей точки от оптимального положения, который управляет током терморегулирующего элемента Пельтье 9. Изменение температуры полупроводникового лазера 1 терморегулирующим элементом Пельтье приводит к изменению длины волны λ его излучения относительно номинала для компенсации отклонения рабочей точки от оптимального положения.
Изменение температуры полупроводникового лазера 1 приводит к изменению мощности его излучения относительно номинала. При увеличении температуры полупроводникового лазера мощность его излучения падает, что приводит к снижению «видности» интерференционной картины и, следовательно, к ухудшению чувствительности системы. Экспериментально установлено, что при «видности» интерференционной картины менее 0,5 система становится неработоспособной. Для расширения диапазона работоспособности системы производится стабилизация мощности излучения полупроводникового лазера 1 за счет регулировки тока питания полупроводникового лазера 1. Для контроля мощности лазерного излучения, введенного в оптическое волокно, через второй выход волоконно-оптического разветвителя 4 часть лазерного излучения отводится на вход второго фотодетектора 10, на выходе которого формируется сигнал, пропорциональный мощности излучения полупроводникового лазера 1. Сигнал со второго фотодетектора 10 подается на второй автоматический регулятор 11, который регулирует ток питания полупроводникового лазера 1 таким образом, чтобы компенсировать изменение мощности его излучения относительно номинала.
ког
В системе может использоваться любой полупроводниковый лазер с длиной когерентности излучения l>2l, где l - расстояние от торца оптического волокна второго входа волоконно-оптического разветвителя до светоотражающей поверхности мембраны интерферометрического сенсора 2. Однако наиболее предпочтительно использовать широко применяемый в волоконно-оптических линиях связи передающий оптический модуль на основе одночастотного полупроводникового лазера с распределенной обратной связью (DFB, Distributed Feed Back) на длине волны излучения λ=1,31 мкм или λ=1,55 мкм с встроенным терморегулирующим элементом Пельтье, интегрированный с одномодовым оптическим волокном (Каталог продукции фирмы «ФТИ-Оптроник», http://www.fti-optronic.com). Такие лазеры имеют высокую когерентность излучения и характеризуются высокой эффективностью перестройки длины волны излучения от температуры. Экспериментально измеренный коэффициент, характеризующий перестройку длины волны DFB-лазеров в зависимости от температуры в области λ=1,55 мкм, составляет порядка 0,1 нм/°С, т.е. при изменении температуры на 40°С изменение длины волны излучения составляет около 4 нм.
В качестве первого 5 и второго фотодетектора 10 могут быть использованы различные фотодетекторы (тепловые, на внутреннем или внешнем фотоэффекте), чувствительные в области длины волны излучения полупроводникового лазера 1. Однако наиболее целесообразно использовать приемный оптический модуль на основе InGaAs/InP PIN фотодиода, интегрированный с одномодовым оптическим волокном, промышленно выпускаемый для работы в аппаратуре волоконно-оптических линий связи (Каталог продукции фирмы «ФТИ-Оптроник», http://www.fti-optronic.com).
В качестве первого 9 и второго автоматического регулятора 11 может быть использован драйвер полупроводникового лазера (Киселев Г.Л. Приборы квантовой электроники. М.: Высшая школа, 1980 г., с.172. рис.10.7).
В качестве интерферометрического сенсора 2 может быть использован известный оптический резонатор Фабри-Перо, в котором одна отражающая поверхность образована полированным торцом оптического волокна, а другая - светоотражающей поверхностью чувствительной мембраны 3. Расстояние l от торца оптического волокна до чувствительной мембраны 3 интерферометрического сенсора 2 может устанавливаться с помощью микропозиционера. Однако наиболее целесообразна установка расстояния l по «видности» интерференционной картины, которая зависит от типа оптического волокна, качества полировки его торца, длины волны лазерного излучения и коэффициента его отражения от мембраны. Экспериментально установлено, что для кварцевого одномодового волокна с диаметром сердцевины 9 мкм при длине волны излучения 1,55 мкм и коэффициенте отражения, равном 1, для получения наилучшей «видности» интерференционной картины (по уровню 0,9 и более) в интерферометрическом сенсоре 2 расстояние l должно быть установлено в диапазоне от 200 до 580 мкм. При выходе за указанный диапазон чувствительность системы уменьшается за счет потери «видности» интерференционной картины.
На фиг.2 представлены экспериментально измеренные зависимости параметров ВОСС от температуры одночастотного полупроводникового DFB-лазера с длиной волны излучения в области 1,55 мкм. На графике 1 приведена мощность излучения полупроводникового лазера 1 при отсутствии ее стабилизации, а на графиках 2 и 3 - статическая составляющая сигнала на выходе первого фотодетектора, характеризующая «видность» интерференционной картины в предлагаемой системе со стабилизацией и без стабилизации мощности излучения полупроводникового лазера соответственно. «Видность» интерференционной картины формируемой на выходе первого фотодетектора определяется известным соотношением
max
min
где U и U - максимальное и минимальное значение напряжения интерференционной картины соответственно.
Как видно из графиков, при изменении температуры полупроводникового лазера в диапазоне от 15°С до 50°С в предлагаемой системе со стабилизацией мощности излучения полупроводникового лазера «видность» интерференционной картины сохраняется на постоянном уровне порядка 0,72, что превышает экспериментально установленный уровень «видности» 0,5, необходимый для обеспечения работоспособности системы. В прототипном варианте системы, где стабилизация мощности излучения полупроводникового лазера отсутствует, мощность излучения в том же температурном диапазоне снижается от 1,2 мВт до 0,1 мВт (т.е. примерно в 12 раз), а «видность» интерференционной картины уменьшается примерно в 1,68 раза (от 0,72 при температуре 15…25°С до 0,43 при температуре более 35…40°С), что свидетельствует о нарушении работоспособности прототипного варианта системы при температуре полупроводникового лазера более 35…40°С.
Как пояснено описанием и графическим приложением, использование предлагаемой волоконно-оптической сенсорной системы по сравнению с прототипом позволяет расширить диапазон работоспособности системы.
Табл.1.
Пороговая чувствительность образцов волоконно-оптической сенсорной системы при различных значениях параметров конструкции, нм
n
λ, мкм
Расстояние l от торца оптического волокна до светоотражающей поверхности мембраны, мкм
0,125λ(n-1)
0,125λn-0,075λ
0,125λn
0,125λn+0,075λ
0,125λ(n+1)
501
1,55
Система нечувствительна
0,17
0,15
0,17
Система нечувствительна
1001
0,012
0,01
0,012
2001
0,004
0,003
0,004
3001
0,01
0,008
0,01
4001
0,07
0,06
0,07
501
1,30
0,14
0,12
0,14
1001
0,008
0,006
0,008
2001
0,003
0,002
0,003
3001
0,007
0,005
0,007
4001
0,12
0,10
0,012