5.2. Волоконно-оптические преобразователи на основе внешней модуляции

Эту группу ВОП НВ можно разбить на две подгруппы в зависимости от базового эффекта, определяющего влияние измеряемой величины на интенсивность светового потока:

• ВОП на основе влияния измеряемой величины на отражающий СП;

• ВОП на основе влияния измеряемой величины на интенсивность проходящего по СП световому потоку.

Принцип модуляции в ВОП первого типа можно проиллюстрировать следующим образом (см. рис.1). Пусть имеется два коаксиальных светодиода 2 и 4 расположенные с зазором , между параллельными торцами которых помещено непрозрачное тело 3, положение которого в пространстве зависит от ИВ. Допустим, что 2 – осветительный светодиод, а 4 – приемный.

Рис.5.1. Волоконно-оптический преобразователь неэлектрической

величины одновходовой (однокомпонентный).

Пусть осветительный СВ 2, оптически связан с ИС – СДД-1, на другом торце перекрывается шторкой 3, положение которой в пространстве определяется ИВ. Если предположить, что яркость света постоянная по сечению луча, достигающего приемного СВ, то световой поток на выходе приемного СВ, поступающий на приемник излучения ФД –5 будет пропорционален не заштрихованной части сечения приемного СВ.

В этом случае связь сигнала ФД и ИВ будет однозначной, если и имеет вид

, (5.1)

где ; – радиус приемного СВ; r₀ – открытая начальная часть сечения; r – смещение потока, достигающее относительно оси симметрии приемного СВ.

Эта зависимость представленная на рис.4.2, а имеет линейный участок в диапазоне изменения определяемом неравенством

. (5.2)

Зависимость имеет некоторую неоднозначность так как значение не может быть известно точно. Поэтому удобнее пользоваться зависимостью

, (5.3)

(5.4)

а) б)

Рис.5.2. Функция преобразования волоконно-оптического

преобразователя: а) с внешней модуляцией, б) при различных .

Из рис.4.2,б видно, что при соответствующей начальной юстировке ( ) ВОП такого типа будет вносить небольшую нелинейность в результате измерения.

5.3 Воп на основе фазовой модуляции

Условия реализации:

• монохроматический ИИ (однорежимный лазер);

• однорежимное СВ и др. компоненты оптической схемы.

Фаза потока световой волны в радианах определяется соотношением:

(5.5)

где - длина ВСВ (волоконного световода); - длина волны света, распространяющегося по волокну.

В общем случае фаза определяется:

(5.6)

где ; - длина волны света в вакууме; - коэффициент отражения (рефракции).

Таким образом, из (1.2) следует, что:

(5.7)

(5.8)

(5.9)

где - осевая деформация ВСВ (зависимая от ИВ); - относительное изменение коэффициента отражения (рефракции).

Известно, что абсолютное изменение коэффициента рефракции определяется через коэффициент Поккельса и и составляющие деформации (осевая) и (радиальная) следующим соотношением:

(5.10)

Это соотношение справедливо только при допущении постоянства объема, то есть , то есть когда коэффициент Пуассона .

Таким значением характеризуются такие материалы, используемые для оболочек, как:

• силиконовый каучук ≈ 0,4995;

• полиэфир ≈ 0,4896;

• полиэтилен ≈ 0,445.

В этом случае выражение (1.6) примет вид:

(5.11)

С учетом (1.7) выражение (1.5) для информативного сигнала ВОП, работающего в режиме фазовой модуляции имеет вид:

(5.12)

Для плавленого кварца:

=0,27; =0,12; =1,46, поэтому выражение для 0,08 и (1.8) примет вид:

(5.13)

Для изотропного материала подверженного действию давления осевая деформация может быть определена зависимостью:

(5.14)

Если учесть что величина , есть сжимаемость материала оболочки, то для ВСВ толстостенной с оболочкой:

(5.15)

Минимальная толщина оболочки ВСВ, которая еще может быть описана выражением (1.11) зависит от упругости материала оболочки, её модуля упругости . Чем больше , тем толще должна быть оболочка.

Для многослойной оболочки модуль упругости усредняется.

Сжимаемость полиэфира, используемого для оболочки ВСВ, составляет:

. (5.16)

В случае использования в качестве ИИ – инжекционного полупроводникового лазера арсенида-галиевого, для которого :

, (5.17)

где в м, в Па.

Приведенная чувствительность для - инжекционного лазера равна:

(5.18)

что хорошо согласуется с экспериментальными данными полученными Бучаро, что свидетельствует об адекватности рассмотренной теории (Физическая акустика, V.ХVI, №7, №4, 1982).

Фирма Optech (оптикал технолоджис) исследовался ДД с ВСВ длиной =360 мкм и =20 мм, который позволял при измерении мм.рт.ст. (<5,4 Па), изменяющегося с частотой до 1 Гц, получать сдвиг по фазе равный: .

Функциональные возможности ВОП на основе фазовой модуляции можно расширить, если применить магнитострикционные оболочки в ВСВ. Тогда ВОП позволят измерять параметры магнитных и электрических полей. Так как в этом случае вариации параметров полей вызывают изменение длины ВСВ, а следовательно приводят к пропорциональному фазовому сдвигу .

Существенной особенностью ВОП на основе принципа фазовой модуляции является то, что рабочая частота ИИ должна составлять до 10¹⁴ Гц=100 ГГц, на которой обычно ФД работать не способны.

Поэтому необходимо преобразование фазового сигнала в амплитудный, что осуществляется с помощью интерферометров (Фабри-Перо, Маш-Зендера, Михельсон-Сагнака).

Упрощенная схема этих интерферометров имеют вид:

Рис.5.3. Схема интерферометра Маш-Зендера.

Рис.5.4. Схема интерферометра Фабри-Перо.

Рис.5.5. Схема интерферометра Михельсона.

Рис.5.6. Схема интерферометра Сагнака.

На рис.5.3-6: 1 – ИИ; 2 – 3 дБ – ный ответвитель; 3 – чувствительное плечо; 4 – плечо эталона; 5 – ФД; 6 – полупосеребренное зеркало (полупрозрачное); 7 – зеркало; 8 – чувствительная часть; 9 – оптоволоконная спираль.

Стр.А.

Возможности ДД до 10^-4 Па.

Метод регистрации на основе синхронного детектирования:

• малые размеры;

• высокая чувствительность;

• способность работать в экстремальных условиях.

В этих ДД используются твердые пьезооптические материалы органического и неорганического происхождения в аморфном или кристаллическом состоянии.

Наиболее перспективная группа материалов для использования в качестве чувствительного элемента ОЭП кристаллы (прозрачные вещества дальней и ближней ИК областях спектра).

Среди этих кристаллов:

Твердые растворы на основе "ортофосфата свинца – ортовандата свинца ".

Одним из наиболее важных параметров, характеризующих пьезооптические чувствительные элементы является полуволновое механическое напряжение используемого материала:

, (5.19)

где -длина волны СП; - показатель преломления; - пьезооптический коэффициент;

- длина кристалла.

Для оценки минимального значения деформаций и давления , используется выражение:

(5.20)

(5.21)

где: - фазовый сдвиг, 1,4·10^-7 рад; и - чувствительность по деформациям и по напряжениям.

Максимальная чувствительность по : до =200 Гц.

Шумовое напряжение 10 мкВ/Гц.

Таблица 5.1

№	Материал	Плав. кварц					Tiocol Solithone Uratane
1	, Па·м-1				расч. эксп.
2							-
3	, Па						эксп. расч.