Волоконно-оптические устройства технологического назначения.-1

131

ВОБР. Изменение условия брэгговского резонанса может быть выражено через величину относительной деформации и фотоупругие характеристики среды соотношением l = 2Lnmn .

Дифференцируя его, получим:

DlБ = 2nmn × DL + 2L × Dnmn .

В свою очередь DL = L ×e , а Dnmn = - 1 nmn3 pэe , где

2

pэ = [ p12 - m( p11 + p12 )] — эффективный фотоупругий коэффициент. Комбинируя эти соотношения, получим:

DlБ = (1 - pэ )lБe .

Для кварцевого стекла pэ≈0,22. И, например, для л=1,3 мкм получаем DlБ = 0,78lБe =10−6 e .

Влияние изменений температуры на положение пика брэгговского отражения в спектрах прошедшего и отраженного светового поля проявляется через температурную зависимость показателя преломления материала и эффект его теплового расширения. Соответственно для величины смещения брэгговского максимума вследствие изменения температуры можно записать выражение

где DT — изменение температуры окружающей среды. В данном выражении первое слагаемое соответствует изменению периода ВОБР за счет эффекта теплового расширения, а второе характеризует изменение эффективного показателя преломления волноводной моды. Для ВС из плавленого кварца нормированный коэффициент температурного смещения резонансной частоты имеет величину

в 0,1 ºС необходимо обеспечить чувствительность спектральных

132

измерений на уровне ΔλБ ≈ 10−3 нм.

Кроме аксиальных упругих деформаций и температуры ВОБР чувствительны также к изменениям давления на поверхность световода. Такая чувствительность может быть повышена за счет использования специальных маломодовых ВС или ВС с сохранением поляризации света, в которых ВОБР осуществляет связь мод разного порядка или разной поляризации, распространяющихся в одинаковом направлении.

6.7. Обработка спектров сигналов в волоконно-оптических брэгговских решетках

При наличии физических воздействий (изменения температуры, упругих деформаций и т.д.) изменяются спектральные характеристики прошедшего и отраженного световых сигналов

в ВОБР. Величина воздействия может быть определена по величине частотного сдвига отраженного света или по изменению положения провала в спектре прошедшего ВОБР света. Соответственно обработка этих сигналов требует использования спектральных (спектрометрических) приборов. Структурная схема одного из простейших устройств для обработки сигналов ВОБР, использующего полосовой оптический фильтр, представлена на рис. 6.6.

Источник

излучени

ВОБР

η

I/Iоп

Рис. 6.6. Схема обработки сигнала ВОБР с использованием полосового фильтра

133

Здесь часть отраженного ВОБР светового поля, играющая роль опорного сигнала, поступает на фотоприемник (Ф1). Другая его часть поступает на второй фотоприемник (Ф2) через полосовой оптический фильтр (ПФ). Оптическое пропускание полосового фильтра зависит от длины волны света (см. вставку на рисунке). Интенсивность опорного светового сигнала на приемнике Ф1 при изменении величины воздействия на ВОБР остается постоянной, а интенсивность света, приходящего на Ф2, изменяется вследствие изменения условий брэгговского отражения в ВОБР. Электронный блок обработки вычисляет отношение сигналов фотоприемников, которое пропорционально величине I/Iоп, и выдает в нужной форме информацию о величине воздействия. Недостатки подобной

излучения.

Экспериментально в таком устройстве достигнуты величины разрешения ±5·10–4 % для упругих деформаций, сопровождающих удлинение ВС, и ±0,5 ºС для измерения температуры.

6.8. Обработка сигналов волоконно-оптических брэгговских решеток управляемыми спектральными фильтрами

Функции таких фильтров могут выполнять сканируемые интерферометры Фабри — Перо, акустооптические фильтры и фильтры на перестраиваемых брэгговских решетках.

В схеме со сканируемым ИФП (рис. 6.7) отраженный ВОБР узкополосный световой сигнал поступает на вход ИФП, оптическое пропускание которого близко к единице на частотах, соответствующих резонансным условиям.

134

ВОБР

ИИ

U упр

ИФП

Рис. 6.7. Схема спектральной обработки сигнала ВОБР сканируемым интерферометром Фабри — Перо: ИИ — источник излучения; Ф — фотоприемник; ИФП — интерферометр Фабри — Перо;

Эл. бл. — блок обработки сигнала фотоприемника

Положение максимума пропускания ИФП в спектральной области определяется расстоянием между зеркалами. Одно из зеркал сканируемого интерферометра закреплено на подложке из пьезокерамики, его положение регулируется величиной управляющего электрического напряжения. Если управляющее напряжение имеет пилообразную форму, то во время прямого хода пилы резонансная частота ИФП меняется во времени по линейному закону, что позволяет получить спектр отраженного сигнала за один период пилы.

Втаком устройстве достигнута разрешающая способность ±10–4 % по деформации растяжения и ±0,2 ºС по температуре.

Вкачестве перестраиваемого спектрального фильтра может использоваться и волоконная брэгговская решетка (рис. 6.8). Здесь широкополосный световой сигнал подается на измерительную ВОБР, а отраженный от нее узкополосный сигнал поступает на вторую решетку — ВОБР2. ВС с ВОБР2 размещен

на образце из пьезокерамики.

135

ВОБР

ИИ

Рис. 6.8. Схема спектрального фильтра на основе перестраиваемой ВОБР

Резонансная длина волны данной решетки определяется величиной управляющего напряжения на электродах пьезоэлемента, генерируемого генератором (ГУН). При условии совпадения

резонансных условий для обеих решеток отраженный от ВОБР2 сигнал поступает на фотоприемник (Ф). Это также позволяет определить спектр светового сигнала, отраженного первой ВОБР.

6.9. Разделение вкладов изменения температуры и упругих деформаций в датчиках на основе брэгговских решеток

Определенная сложность построения ВОД температуры или упругих деформаций на основе ВОБР заключается в том, что ВОБР чувствительны к воздействию обоих этих факторов. Для разделения или подавления (учета) их одновременного воздействия существуют следующие пути.

1. Использование дополнительного калибровочного ВОД, построенного по такой же схеме, как и основной датчик, и измеряющего только температуру. Дополнительный ВОД

136

должен быть изолирован от влияния деформаций (или измерять температуру, но быть изолированным от влияния деформаций).

2.Использование датчика другого типа, предназначенного только для измерения температуры (например, основанного на эффекте рамановского рассеяния). Недостатком данного подхода является возможность различия температурных полей для устройств с разной конфигурацией.

3.Использование двухволновой методики измерений — две ВОБР с разными пространственными периодами в одном и том же ВС.

В случае изменения и температуры, и деформаций изменение брэгговских условий для обеих решеток можно записать

ввиде

Δλ2 = Kε2Δε + KT2 T ,

где Kε1 , Kε2 — коэффициенты, определяющие частотные сдвиги брэгговского резонанса при воздействии упругих деформаций; KT1 , KT2 — температурные коэффициенты в подобных

зависимостях при постоянных деформациях.

Совместное решение этих уравнений позволяет получить соотношения для изменения температуры и величины упругой деформации по измеренным для разных решеток частотным сдвигам:

137

показали, что такой метод позволяет разделить вклады изменения температуры и упругих деформаций и обеспечить разрешающую способность при измерении температуры не хуже ±5 ºС и не хуже ±10–5 при измерении деформаций.

На основе ВОБР реализован целый ряд ВОД температуры и деформаций, выпускаемых зарубежными и отечественными компаниями. Типичные характеристики подобных элементов можно найти в информационных материалах о продукции компании «Бизнес-Юнитек» (Москва).

Например, высокотемпературный брэгговский сенсор предназначен для измерения физических величин в диапазоне рабочих температур свыше 500 ° С. Сенсор представляет собой отрезок волоконного световода с записанной в нем брэгговской решеткой. Может работать в совокупности со специализированным анализатором спектров внутриволоконных брэгговских решеток или с анализаторами оптических спектров общего назначения. В зависимости от конструктивного решения

используется для измерения как температуры, так и величины механических деформаций. Длина ВОБР 3 мм, чувствительный ВС имеет разные типы покрытий в зависимости от назначения сенсора. Характеристики ВОБР:

138

7. ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ГИРОСКОПЫ

7.1. Гироскоп как элемент инерциальных навигационных систем

Одним из важнейших устройств, входящих в состав инерциальных навигационных систем подвижных объектов (самолеты, суда, танки, автомобили), является гироскоп. Он играет роль детектора угловой скорости объекта в инерциальном пространстве. Инерциальные навигационные системы обрабатывают информацию о местонахождении подвижного объекта с целью выведения его на курс или в заданную точку пространства. В состав таких систем обычно входят три гироскопа — для измерения скорости вращения относительно трех ортогональных координатных осей, три акселерометра — для определения скорости и пройденного расстояния в направлении данных осей, а также компьютер или счетно-решающий прибор

— для обработки информации, выдаваемой этими датчиками. Вычисляя на основе полученной информации пройденное расстояние и учитывая изменение направления движения объекта, компьютер выдает его мгновенные координаты либо инструкции по корректировке параметров движения. К гироскопам на самолетах предъявляются очень высокие требования: разрешающая способность и дрейф нуля не выше 0,01°/ ч, динамический диапазон до 6 порядков, высокая стабильность (не хуже 10–5 ) масштабного коэффициента преобразования угла поворота в выходной сигнал.

До недавнего времени в навигационном оборудовании применялись механические гироскопы, принцип действия которых основан на эффекте удержания оси вращения тела в заданном направлении инерциального пространства (закон сохранения момента количества движения). Это достаточно сложные и дорогостоящие приборы, поскольку для обеспечения требуемой стабильности и чувствительности необходимы высокая точность формы тела вращения (ротора) и минимально возможное трение в подшипниках подвеса ротора гироскопа.

139

В отличие от механических, оптические гироскопы, например лазерные или волоконно-оптические, работа которых основана на эффекте Саньяка, имеют структуру статического типа, обладающую рядом достоинств, к основным из которых относятся:

–отсутствие подвижных деталей и, следовательно, устойчивость к ускорению и резким механическим перегрузкам;

–простота конструкции;

–малое время выхода на рабочий режим;

–высокая чувствительность;

–высокая линейность характеристик;

–низкая потребляемая мощность;

–высокая надежность.

Кроме того, возможно снижение стоимости волоконнооптических гироскопов за счет внедрения оптических интегральных схем. Наряду с использованием в самолетах и на судах, уже сейчас гироскопические приборы применяются в автомобилях, роботах и т. д.

7.2. Принцип действия оптического гироскопа

Принцип действия оптического гироскопа основан на эффекте Саньяка, суть которого заключается в следующем (рис. 7.1). По круговому пути во встречных направлениях

140

инерциальном пространстве с угловой скоростью Ω , оптические длины этих путей оказываются разными. Действительно, в этой ситуации одна волна движется навстречу

волнами возникает фазовый сдвиг. Это явление и называется эффектом Саньяка.

Будем считать, что показатель преломления среды на кольцевом пути распространения света n=1. При радиусе траектории светового луча R время достижения приемного элемента светом, движущимся против часовой стрелки,

Из соотношений (7.1) и (7.2) разность времен распространения двух световых волн с учетом соотношения c>>RΩ будет равна

и свет распространяется по круговому пути. Однако можно доказать, что соотношение (7.5) останется справедливым для