23.4. Датчики распределения

Оптическое волокно как линия передачи информации одномерно. С учетом этого разрабатываются процедуры измерений распределения физической величины вдоль оптического волокна. Одна из таких процедур - оптическое измерение коэффициента отражения путем наблюдения за формой отраженного сигнала - выполняется посредством датчика распределения последовательного типа. Другая процедура - пространственное измерение - реализуется с помощью датчика распределения параллельного типа (со множеством оптических чувствительных элементов, размещенных вдоль оптического волокна как линии передачи).

Датчики распределения последовательного типа.

О птическая система предназначена для измерения коэффициента отражения путем наблюдения за формой отраженного светового сигнала. В оптическое волокно подается свет лазера с высокой выходной мощностью и коротким импульсом излучения, и затем измеряются параметры обратного рассеяния Рэлея, а также отражения Френеля, происходящих в стыках и местах разрыва оптического волокна. По характеру отраженного света можно определить потери в волокне и выявить места стыка и разрыва.

Оптическое измерение коэффициента отражения методом наблюдения за формой отраженного сигнала впервые было использовано в измерителе распределения температур - датчике на оптическом волокне с жидким сердечником. Обычно коэффициент рэлеевского рассеяния жидкости подвержен более сильной температурной зависимости по сравнению с коэффициентом для твердого тела. Именно поэтому испытывались системы измерения температуры на основе оптического волокна с жидким сердечником из гексахлорбутадиена. Жидкость отличается сильной температурной зависимостью коэффициента преломления, что приводит к изменению доли обратного рассеяния Рэлея, а температурные изменения коэффициента рассеяния влияют на мощность обратного рассеяния Р(t) с противоположным этому изменению знаком. Это влияние устраняется, если из передаваемого волокном света измерять только долю его с малой числовой апертурой.

При направлении в волокно света большой мощности с определенной частотой вследствие тепловых колебаний молекул SiO₂ структуры возникает так называемый стоксовское излучение с частотой, на 13 ТГц меньшей, и антистоксовское (в противоположном направлении) излучение с частотой, на 13 ТГц большей. Последнее обладает сравнительно сильной температурной зависимостью даже в обычном оптическом волокне из SiO₂. Поэтому, вычислив отношение мощности антистоксовского и стоксовского излучения, можно на этой основе создать измеритель температурного распределения. Заслуживает внимания то, что можно использовать обычное оптическое волокно.

Датчик распределения параллельного типа

Н а рис. 23.10 показана одна из структур со множеством датчиков, размещенных вдоль оптического волокна. Здесь каждый чувствительный элемент представляет собой интерферометр Маха - Цандера с определенной разностью оптических путей (l₁, l₂ и т. д.) между двумя ответвителями. Если интервал когерентности источника света достаточно мал, даже по сравнению с минимальным из значениий l, то в таких интерферометрах интерференция не наблюдается. Однако при установке на выходе линии передачи еще по одному интерферометру с такими же разностями оптических путей в соответствующих приемниках возникает сигнал интерференции.

В результате выходные сигналы каждого чувствительного элемента можно различить и измерить с помощью светоприемника, включенного на выходе соответствующих добавочных интерферометров. Однако в этом случае флюктуации фазы источника света (они зависят от ширины спектра) в силу разности оптических путей приводят к появлению на выходе амплитудных шумов, что ухудшает отношение сигнал/шум измерительной системы.

На рис. 23.11 представлены схемы волоконно-оптических датчиков параллельного (многоточечного) типа с модуляцией интенсивности лазерного луча в чувствительных элементах и опросом датчиков с разделением во времени.