Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ основных вариантов построения ВОСC и постановка задач исследований 10
1.1 Общая классификация ВОСC 10
1.2 Амплитудные ВОСС 15
1.3 Поляризационные ВОСС 22
1.4 ВОСС на основе внутриволоконных брэгговских решёток 24
1.5 Интерферометрические ВОСС 26
1.6 Постановка задачи исследования 30
2 Разработка математической модели интерферометрической ВОСС регистрации смещений с преобразователем на основе торцевого интерферометра и оптимизация его геометрических параметров 32
2.1 Разработка математической модели интерферометрической ВОСС регистрации смещений на основе торцевого интерферометра 32
2.2 Оптимизация геометрических параметров преобразователя по критерию максимизации чувствительности к смещению 36
2.3 Оптимизация геометрических параметров преобразователя смещений по критерию максимизации отношения сигнал-шум 38
3 Экспериментальное исследование интерферометрической ВОCС регистрации смещений на основе ВОТИ 45
3.1 Исследование контраста интерференционной картины ВОCС 45
3.2 Разработка фотоприемного модуля ВОСС и исследование его электрических шумов 48
3.3 Исследование основных составляющих шумов обусловленных оптической засветкой оптико-электронной схемы ВОСС 58
3.4 Оценка пороговой чувствительности и динамического диапазона ВОСС регистрации смещения 69
4 Исследование чувствительности интерферометрической ВОСС с микромеханическим преобразователем при воздействии внешних факторов и разработка мер по ее стабилизации 72
4.1 Определение требований к стабильности длины волны источника излучения в интерферометрической ВОСС 72
4.2 Исследование зависимости длины волны излучения полупроводникового лазера ВОСС от температуры и тока инжекции и оценка требований к их стабилизации
4.2.1 Общие сведения об объектах исследования 75
4.2.2 Описание экспериментальной установки 77
4.2.3 Экспериментальные результаты 80
4.3 Исследование чувствительности ВОСС и разработка метода ее стабилизации при воздействии температуры внешней среды на микромеханический преобразователь 86
5 Техническая реализация интерферометрической ВОCС с микромеханическим преобразователем и исследование её характеристик 101
5.1 Разработка интерферометрической ВОСС на основе многоканального торцевого интерферометра 101
5.2 Разработка микромеханического преобразователя динамического давления с мембранным чувствительным элементом 104
5.2.1 Конструкция и подвижность мембранного чувствительного элемента 104
5.2.2 Обоснование величины подмембранного объема микромеханического преобразователя 107
5.2.3 Конструкция и настройка микромеханического преобразователя 110
5.3 Разработка микромеханического преобразователя вибрационного
ускорения 113 5.4 Экспериментальное исследование технических характеристик интерферометрической ВОСС с микромеханическим преобразователем динамического давления 119
5.5 Экспериментальное исследование технических характеристик интерферометрической ВОСС с микромеханическим преобразователем вибрационного ускорения 124
Заключение 129
Библиография 132
- Поляризационные ВОСС
- Оптимизация геометрических параметров преобразователя по критерию максимизации чувствительности к смещению
- Исследование основных составляющих шумов обусловленных оптической засветкой оптико-электронной схемы ВОСС
- Исследование зависимости длины волны излучения полупроводникового лазера ВОСС от температуры и тока инжекции и оценка требований к их стабилизации
Введение к работе
Актуальность работы. Последнее десятилетие характеризуется ростом исследований в области волоконной оптики. Успехи в этой области, связанные с серийным производством компонентов и уменьшением их стоимости, позволили расширить границы применения стандартных волоконно-оптических элементов за рамки задач телекоммуникации и внедрить их в разработки, связанные с созданием волоконно-оптических сенсорных систем (ВОСС) для регистрации различных физических воздействий. Применение ВОСС обеспечивает высокую устойчивость к электромагнитным помехам и большую удалённость первичного преобразователя (ПП) физических величин от систем обработки, взрыво-, пожаро-, искробезопасность, малый вес и габариты. Эти особенности обуславливают перспективность применений ВОС и постоянно растущий объем выполняемых исследований и разработок в этой области.
Схема построения ВОСС зависит от регистрируемого физического воздействия, требуемой чувствительности и особенностей условий эксплуатации. В ряде задач основными требованиями к ВОСС являются высокая чувствительность при минимально возможных габаритных размерах ПП. В этом случае целесообразно применять интерферометрические ВОСС, обеспечивающие регистрацию сверхмалых смещений чувствительного элемента (ЧЭ), обусловленных регистрируемым воздействием, а ЧЭ (балки, струны, мембраны) создавать с применением интегрально-групповой технологии микромеханики. Микромеханические конструкции позволяют получить уникальные параметры, такие как высокая прочность, высокая чувствительность, хорошая воспроизводимость характеристик от образца к образцу и низкая стоимость.
Однако, несмотря на значительный объём работ в данном направлении, существуют реальные возможности для дальнейшего повышения чувствительности интерферометрических ВОСС за счет оптимизации параметров ПП и оптико-электронной схемы. Кроме того, интерферометрические ВОСС подвержены влиянию внешних возмущающих факторов, в частности, изменению температуры окружающей среды, что отрицательно сказывается на стабильности их характеристик.
Целью диссертационной работы является разработка волоконно-оптической интерферометрической системы c микромеханическим первичным преобразователем для регистрации давления и вибрации, обладающей высокой чувствительностью и устойчивостью к изменению температуры внешней среды.
Для достижения указанной цели в диссертации решались следующие основные задачи:
-
разработка математической модели интерферометрической ВОСС регистрации сверхмалых смещений чувствительного элемента и расчет оптимальных конструкционно-геометрических параметров первичного преобразователя для обеспечения максимальной чувствительности к регистрируемому смещению чувствительного элемента,
-
исследование основных источников собственных шумов оптико-электронной схемы интерферометрической ВОСС и определение ее основных параметров, при которых достигается наилучшее значение пороговой чувствительности к смещению чувствительного элемента,
-
исследование температурной зависимости параметров интерферометрической ВОСС с микромеханическим преобразователем и разработка методов повышения ее устойчивости к изменению температуры внешней среды,
-
техническая реализация интерферометрической ВОСС с микромеханическим преобразователем динамического давления и вибрационного ускорения и экспериментальные исследования ее характеристик.
Научная новизна работы заключается в том, что в работе:
-
разработана математическая модель ВОСС регистрации сверхмалых смещений на основе оптической интерференции в системе «торец оптического волокна – чувствительный элемент», позволяющая рассчитать оптимальные конструктивно-геометрические параметры микромеханического первичного преобразователя с чувствительными элементами в виде мембран, балок, струн для обеспечения максимальной чувствительности к их смещению,
-
исследованы основные источники шумов ВОСС на основе торцевого интерферометра, образованного торцом оптического волокна и чувствительным элементом, и установлено, что определяющий вклад в интегральный шум вносят флуктуации излучения лазера, минимальный уровень которых достигается при оптимальной мощности лазерного излучения,
-
предложен и реализован метод сохранения стабильной высокой чувствительности ВОСС с микромеханическим первичным преобразователем мембранного типа при изменении температуры внешней среды, основанный на применении в системе регистрации многоканального интерферометрического преобразователя.
Практическая значимость работы:
-
Разработаны интерферометрические микромеханические первичные преобразователи динамического давления и вибрационного ускорения с чувствительными элементами в виде мембраны и упруго подвешенной массы и оптимальными конструкционно-геометрическими параметрами для достижения максимальной чувствительности;
-
Разработана оптико-электронная схема ВОСС регистрации сверхмалых смещений чувствительного элемента в микромеханическом преобразователе и экспериментально определена реально достижимая чувствительность к смещению при использовании серийно выпускаемых полупроводниковых лазерных источников излучения;
-
Разработаны ВОСС на основе многоканального интерферометра с микромеханическими первичными преобразователями динамического давления и вибрационного ускорения, обеспечивающие сохранение стабильной высокой чувствительности в широком интервале изменения температуры внешней среды;
-
Результаты диссертационной работы использованы при выполнении научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ.
На защиту выносятся следующие положения и результаты:
1. Теоретически и экспериментально показано, что в интерферометрической ВОСС регистрации смещения, образованной торцом оптического волокна и чувствительным
элементом, существует оптимальное расстояние между ними, при котором достигается наилучшая пороговая чувствительность
-
Определяющим фактором, ограничивающим значение пороговой чувствительности интерферометрической ВОСС, являются флуктуации лазерного излучения, которые имеют минимум при оптимальной мощности лазерного излучения
-
Экспериментально подтверждено, что при изменении температуры внешней среды стабилизация чувствительности интерферометрической ВОСС с микромеханическим преобразователем обеспечивается применением в первичном преобразователе многоканального интерферометра. (Положение защищено патентом РФ)
Апробация работы. Основные положения и результаты работы обсуждались на следующих конференциях: Международная научно-техническая конференция «Датчики и системы – 2005», Пенза, 6-10 июня 2005 г.; 6-я Международная научно-техническая конференция «Квантовая электроника-2006», Минск, 14-17 ноября 2006 г.; ХI Международная конференция «Прикладная оптика», Санкт-Петербург 20-24 октября 2014 г.; 69-я Научно-техническая конференции профессорско-преподавательского состава университета, Санкт-Петербург, СПбГЭТУ «ЛЭТИ» 26 января – 4 февраля 2016 г.
Основные публикации по теме работы. По теме диссертации получены 3 патента РФ и опубликованы 6 статей в рецензируемых научных журналах рекомендованных ВАК, 4 публикации в материалах конференций. Список публикаций приведён в конце автореферата. Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и библиографии. Общий объём работы составляет 137 стр., среди них 62 рисунка, 20 таблиц, библиография содержит 59 использованных источников.
Поляризационные ВОСС
Исследования статической характеристики преобразования отражательной амплитудной ВОСС в зависимости от расстояний между ЧЭ и торцами оптических волокон и от угла между волокнами позволяют сделать вывод, что чувствительность системы к смещению ЧЭ существенно зависит как от взаимного углового, так и линейного расположения волокон и ЧЭ. При этом чувствительность увеличивается с увеличением угла взаимного расположения волокон, и ее максимальное значение достигается тем ближе к торцам волокна, чем больше угол между оптическими волокнами.
Максимально возможный угол между волокнами зависит от геометрических и оптических параметров используемых волокон. При использовании стандартных многомодовых кварцевых волокон с внешним диаметром 125 мкм и диаметром сердцевины 62,5 мкм максимальный угол между волокнами составляет порядка 600. При этом рабочее расстояние между ЧЭ и торцами оптоволокон, при котором достигается наибольшая чувствительность, составляет менее 150 мкм. Однако даже при максимальной чувствительности, минимальное регистрируемое смещение (пороговая чувствительность) отражательной амплитудной ВОСС, с учетом измеренного уровня её собственных шумов в рабочей полосе частот 10 кГц, по экспериментальным результатам составляет порядка 0,1 нм [16].
К достоинствам амплитудной схемы построения ВОСС с АМ по отражательной схеме стоит отнести достаточно большой диапазон регистрации перемещений (до 500 мкм) и относительно слабую подверженность внешним возмущающим факторам – таким как температура или статические механические воздействия на первичный преобразователь. Также достоинством является относительная простота технической реализации оптико-электронной схемы, возможность подведения волокон только к одной стороне первичного преобразователя. Однако, как и во всех амплитудных ВОСС, первичный преобразователь, включающий чувствительный элемент, а также определенным образом расположенные передающее и приемное оптические волокна, требует достаточно сложной настройки и юстировки.
Недостатком этой схемы является принципиальная необходимость в подведении к ЧЭ двух оптических волокон – передающего и приемного, расположенных под углом и на расстоянии порядка 100 мкм от ЧЭ. Кроме того, такая схема построения ВОСС, при прочих равных условиях, потенциально обладает меньшей чувствительностью по сравнению с фазовым (интерференционными) или поляризационными схемами построения ВОСС при сравнимых габаритных размерах первичного преобразователя [16].
Таким образом, характеризуя в целом амплитудные схемы построения ВОСС, следует отметить, что их применение для регистрации динамических воздействий сверхмалого уровня возможно только при условии обеспечения достаточной подвижности ЧЭ, что в большинстве случаев приводит к необходимости увеличения габаритных размеров первичных преобразователей.
В поляризационных ВОСС используется модуляция регистрируемым воздействием поляризации света. Типичные примеры используемых в таких системах оптических эффектов – эффект Фарадея, эффект Поккельса, фотоупругий эффект, эффект двойным лучепреломления [1,8].
В системах с двойным лучепреломлением регистрируемое воздействие через защитное покрытие и оболочку оптического волокна деформирует его сердцевину и изменяет двойное лучепреломление волокна [19]. В такой ВОСС используется одномодовое волокно с сохранением поляризации, источник излучения, поляризатор, анализатор и фотоприёмное устройство. Первый поляризатор используется для поляризации излучения источника света под углом, который составляет 450 по отношению к двум модам волоконной оптической системы, после чего свет направляется на один конец волокна. Анализатор располагается на другом конце волокна и поляризует свет, выходящий из волокна, под тем же самым углом, что и первый поляризатор, перед тем как он детектируется фотоприёмным устройством. Когда к волокну прикладывается некоторая сила в радиальном направлении, вызванная изменением регистрируемого воздействия, двойное лучепреломление волокна изменяется, что изменяет мощность поляризованного света, регистрируемого с помощью фотоприёмного устройства.
Увеличение чувствительности данной системы может быть достигнуто путём применения специализированных волокон с охранением поляризации типа «Panda», которое имеет два параллельных сердцевине отверстия, распределённые по длине волокна [20]. Такая геометрия приводит к преобразованию внешнего давления в анизотропное действие на сердцевину, тем самым вызывая двойное лучепреломление. Поляризационная ВОСС построенная с применением такого волокна имеет диапазон регистрируемых давлений 10-100 МПа, однако при давлении ниже 10 МПа двойное лучепреломление становится слишком мало для детектирования. Таким образом, основным недостатком ВОСС с двойным лучепреломлением является низкая чувствительность, поскольку для деформации оптического волокна необходимо значительное внешнее усилие, обусловленное изменением регистрируемого воздействия. Также существенной проблемой в таких системах является зависимость двойного лучепреломления сердцевины волокна от температуры.
Регистрация смещений в поляризационных ВОСС также возможна на основе фотоупругого эффекта [21], связанного с изменением скорости распространения электромагнитной волны вследствие наведённых внутренних механических напряжений. Использование данного явления для построения ВОСС стало возможным при увеличении чувствительности регистрации фазовых изменений: так, при динамическом диапазоне изменения фазы ±0.1 рад, чувствительности 10-4 рад линейность показаний составляет 0.1 %. В конструкциях таких ВОСС в качестве чувствительных элементов используются пластинки, изготовленные из плавленого кварца. Поляризационная ВОСС для измерения перемещений, основанная на фотоупругом эффекте, может обладать чувствительностью до 1 мкм при диапазоне регистрируемых перемещений 10 мм.
Характеризуя в целом поляризационные схемы построения ВОСС можно сказать, что их применение для регистрации смещений микрообъектов является проблематичным, вследствие низкой чувствительности рассмотренных схем к смещению.
Оптимизация геометрических параметров преобразователя по критерию максимизации чувствительности к смещению
Величина пороговой чувствительности ВОСС к смещению, т.е. минимального регистрируемого смещения ЧЭ, зависит от отношения сигнал/шум системы, поэтому истинной задачей оптимизации является не получение максимального отклика на входное воздействие (максимальной чувствительности), а достижение максимально возможного отношения сигнал/шум, определяющего величину минимального регистрируемого смещения ЧЭ. Такую оптимизацию можно провести только с учетом реальных собственных шумов рассматриваемой оптико-электронной схемы. Шумы оптико-электронной схемы ВОСС подробно рассмотрены в разделе 3.2, где показано, что определяющими составляющими шума интерферометрической ВОСС являются шум лазерного источника и, в меньшей степени, дробовой шум фотодиода. Амплитуда шума лазерного источника пропорциональна постоянной составляющей тока, протекающего по фотодиоду при отсутствии смещения ЧЭ - т.е. пропорциональна функции \V(l)\ (мощности оптического сигнала) [40]. Амплитуда дробового шума фотодиода пропорциональна корню из постоянного тока, протекающего через фотодиод -т.е. пропорциональна функции \D(l)\ (амплитуде оптического сигнала) [40]. Можно образовать дискретную функцию SNR1(l), рассчитываемую в точках максимального значения производной \D(l)\ , величина которой пропорциональна отношению сигнал/шум ВОСС при условии, что основной источник шума - шум лазера (мощность шума пропорциональна мощности сигнала засветки на фотодиоде): и дискретную функцию, SNR2(J) величина которой пропорциональна отношению сигнал/шум ВОСС при условии, что основной источник шума - дробовой шум фотодиода (мощность шума пропорциональна току фотодиода)
Численные расчеты и анализ графиков рисунка 2.7 показывают, что максимальное значение отношения сигнал/шум в наиболее часто подтверждающемся на практике случае, когда основной источник шума – лазер, достигается при некотором оптимальном нормированном расстоянии от торца волокна до ЧЭ lрт опт1 5l0. Зона значений расстояний l/l0, близких к оптимальному (где отношение сигнал/шум ухудшается не более, чем на 10%) составляет (4…7)l0. При численном значении величины l0 82 мкм оптимальное расстояние lрт опт1 400 мкм находится в диапазоне допустимых значений от 330 мкм до 570 мкм.
Заметим, что этот диапазон расстояний отвечает условию формулы (2.4), то есть lрт опт1 lгр. В этом случае, как видно из рисунка 2.3 с высокой точностью можно считать, что в формировании отраженного ВОТИ излучения с комплексной амплитудой DQ) принимают участие только две составляющие: мода, отраженная непосредственно от торца волокна с мощностью. rr—Dr —rDQ (2.8) и первая отраженная от ЧЭ мода с мощностью FI(I)-DI-DQ (1-Г ) к\1(І)\ . (2.9) Поскольку структура полей этих волн полностью идентична, можно воспользоваться известным выражением для интерференции двух плоских электромагнитных волн [30]. Тогда статическая характеристика преобразования ВОТИ как интерференция двух этих мод представляется уравнением: PDG) = Pr + i(0 + 2 PrP1(/)cos (— J. (2-Ю) Графически это выражение соответствует характеристике преобразования на рисунке 2.4 при / 1гр (г - Lr(l)). Тогда производная этой функции определится выражением: — = 2-slPrPl(l)\— sin (2-11) d/ V V \ Л ) и в максимуме (при sin(4 /) =1) dPn(l) „ /„ „ ,,4f 4;гЛ — = 4РгР\ (0 — (2-12) d/ r v У Определим из выражения (2.10) максимальное Ртах(1) и минимальное .PminCO значение оптической мощности на интерференционной картине, формируемой на выходе преобразователя путем подстановки в него cos (— )= ± 1: Pmax(J) — Рг + і(0 + 2д/РгР1(/) (2.13) РщіпіО = Рг + i(0 — 2д/РгР1(/). (2.14) Введем понятие размаха статической характеристики преобразования АР = Pmax(0 — Pmin(0 = 4д/РгР1(/) (2.15) Тогда с учетом (2.13) - (2.15) выражение (2.12) запишем в виде: dPD(l) /dl = S(Z) = SH[Pmax(l) — Pmni(0L (2.16) где Sн = (27r) (2.17) - нормированная чувствительность к смещению ЧЭ интерферометрического преобразователя на основе ВОТИ, которая для случая двухлучевой интерференции зависит только от длины волны излучения. Уровень оптического шума в рабочей точке преобразователя определяется мощностью постоянной составляющей оптического излучения: ррт(0 = 1/2 [Pmax(0 + pmin(/)] Тогда отношение сигнал/шум при регистрации малого смещения l в окрестности lрт определяется соотношением: S(l) SNR(l) = —Al = 2SHK(l)Al, (2.18) где р (1)—Р СО К(7) = тах —тш . (2.19) - контраст интерференционной картины, изменяющийся в пределах от 0 до 1 [30]. Поскольку мощность Р - величина неотрицательная, очевидно, что контраст, а следовательно, и отношение сигнал/шум имеют максимум при Р (l)= 0, которое, как нетрудно показать из выражения (2.14), достигается при равенстве мод Pr = P\{l). Тогда, приравняв выражения (2.8) и (2.9) с учетом соотношения (2.2), найдём оптимальное расстояние, при котором достигается максимальное отношение сигнал/шум и, соответственно, наилучшая пороговая чувствительность:
Численно при R =\, r2 = 0,036 оптимальное расстояние от торца оптоволокна до ЧЭ lрт опт1 5lо. Это значение, полученное из упрощенной двухлучевой модели ВОТИ, хорошо согласуется с результатом точного расчёта с учётом всех интерферирующих мод, который приведен на рисунке 2.7, что свидетельствует о правомерности принятых допущений в упрощенной математической модели ВОСС.
Исследование основных составляющих шумов обусловленных оптической засветкой оптико-электронной схемы ВОСС
Одной из основных особенностей ВОСС является наличие значительной постоянной засветки ФПМ оптическим излучением источника (лазера либо светодиода), которая вносит определяющий вклад в общий (интегральный) уровень шума ВОСС в целом. При этом в общий шум обусловленный засветкой вносят вклад несколько составляющих. Для высокостабильных оптических источников (например, светодиодов в ВОСС амплитудного типа) дробовой шум является основным. Поскольку полезный сигнал пропорционален оптической мощности (или силе тока на выходе фотодиода), а дробовой шум – корню квадратному от оптической мощности (силы тока на выходе фотодиода), то с точки зрения повышения отношения сигнал/дробовой шум целесообразно повышать оптическую мощность излучения и коэффициент пропускания оптической схемы. Поэтому, в частности, ВОСС амплитудного типа – достаточно энергоемкие устройства.
В оптических датчиках интерференционного типа принципиальным является использование когерентных оптических источников – лазеров. Они, наряду с высокой когерентностью и большей экономичностью, характеризуются значительно большей сложностью физических процессов, лежащих в основе их работы. Это приводит к большей «шумности» лазеров по сравнению со светодиодами. В них появляется как дополнительный амплитудный шум, обусловленный флуктуациями оптической мощности лазера, так и частотный (фазовый) шум, связанный с колебаниями рабочей длины волны (частоты) излучения лазера.
Составляющие лазерных шумов из-за их сложности и многообразности не могут быть описаны аналитическими выражениями, как например, при разработке ФПМ, что не позволяет провести их теоретический анализ и выработать конкретные рекомендации по их уменьшению. Снижать уровень шума обусловленного оптическим излучением в ВОСС приходится технологическими приемами и методами – тщательным подбором элементной базы (лазеров, разветвителей, типов оптических коннекторов и т.п.), а также правильным выбором режимов работы (прежде всего, оптической мощности и рабочей температуры) лазера и строгим соблюдением технологии сборки оптической схемы (тщательная протирка оптических коннекторов и высокое качество полировки их торцов).
Уровень электрического сигнала на выходе ФПМ интерферометрической ВОСС с преобразователем на основе ВОТИ определяется вольтовой чувствительностью Sд (производной или крутизной характеристики преобразования), которая, в свою очередь, по аналогии с выражением (2.15), пропорциональна «размаху» интерференционной картины (статической характеристики) U. Величина U, пропорциональная P в выражении (2.15), зависит от тока и температуры лазерного источника, коэффициента отражения зеркал интерферометра и т. д., и может меняться от опыта к опыту. В противоположность этому, нормированная чувствительность, которая путём преобразований выражения 2.16 может быть представлена в виде: Sн = Sд/U (3.8) в интерферометрической ВОСС есть величина постоянная и зависящая только от длины волны оптического излучения (соотношение 2.17). Поэтому для определения пороговой чувствительности ВОСС определяющее значение имеет нормированный (относительный) уровень интегральных шумов: Uш.н = Uш /U (3.9) в рабочей полосе частот ВОСС, который в отличие от напряжения шума Uш представляет собой безразмерную величину. В определенном смысле нормированный шум выступает в качестве показателя отношения шум/сигнал ВОСС, и чем он ниже, тем лучше пороговая чувствительность ВОСС. В связи с этим, для сравнения различных ВОСС по пороговой чувствительности всегда имеет смысл определения именно нормированного шума. При этом для ВОСС, где интерференция отсутствует, как например, в амплитудных схемах, необходимо по аналогии с выражением (3.9) нормировку производить относительно удвоенного значения постоянной составляющей оптической мощности или приведенному к ней значению постоянного напряжения U– на выходе ФПМ: Uш.н = Uш /2U– (3.10) Для оценки влияния различных компонентов ВОСС на ее уровень шума в целом в работе использовалась установка, представленная на рисунке 3.9.
Исследование зависимости длины волны излучения полупроводникового лазера ВОСС от температуры и тока инжекции и оценка требований к их стабилизации
Таким образом, для расширения рабочего температурного диапазона ВОСС с микромеханическим преобразователем мембранного типа и поддержания стабильной высокой чувствительности необходимо разработать метод стабилизации положения рабочей точки ВОСС и его техническую реализацию.
Поскольку положение рабочей точки ВОТИ определяется геометрическими размерами оптического резонатора и длиной волны лазерного излучения, то для стабилизации положения рабочей точки интерферометра существуют соответственно различные методы: 1. Механический метод, основанный на изменении расстояния от торца волокна до ЧЭ. 2. Метод изменения длины волны излучателя. 3. Метод построения многоканальной системы с заведомо разным положением рабочей точки и выбора канала с наилучшей рабочей точкой.
Первый метод позволяет непосредственно изменять длину резонатора преобразователя и настраивать рабочую точку в нужное положение. Однако он требует механического привода и очень трудно реализуем в случае, когда необходимо создание миниатюрного преобразователя. Второй метод позволяет создавать ВОСС с миниатюрным преобразователем, но является достаточно инерционным и энергозатратным.
В связи с этим, в данной работе рассмотрен метод, основанный на создании ВОСС на основе многоканального ВОТИ с разными расстояниями от торцов волокон до ЧЭ в каждом канале и, соответственно, разным положением рабочей точки. В такой ВОСС анализируются выходные сигналы, и выбирается канал с наилучшим положением рабочей точки, то есть с наилучшей чувствительностью.
В наиболее простом, двухканальном варианте, принцип действия такой системы состоит в следующем. К ЧЭ, в отличие от одноканальной схемы, подводится не одно, а сразу два оптоволокна, торцы которых расположены на различных расстояниях от мембраны 1\ и /2 , как показано на рисунке 4.8. При этом в каждом из этих волокон подводится одно и то же лазерное излучение.
Положение рабочей точки ВОТИ определяется длиной волны лазерного излучения и расстоянием / от торца волокна до мембраны. Следовательно, осуществляя независимый двухканальный интерферометрический съем информации, за счет существующей разницы / в расстояниях 1\ и /2 на выходах интерферометров будут формироваться два сигнала Лвых1 и Рвых2 с постоянным сдвигом по фазе интерференции, в которых содержится информация о положении рабочей точки в каждом из двух каналов: вых1 = Лі + ЛІ+Л/ЛЇЛІ cosfJ, (4.18) Лых2 = Л2 + Лг+л/ЛгЛг cos(2), (4.19) где , и , - разности фаз, определяемые выражениями 4 f Л 4 f Л : = [її + L(t)j; 2 = \l2 + L(t)j; /2 =/i + /. (4.20) Очевидно, что работоспособность системы зависит от выбранной разницы в расстояниях / в первичном преобразователе. При разнице / = 0 или кратной /4 эта схема будет неэффективна. Напротив, при выполнении условия / = /8 + т/4 = /8(1 + 2т), (4.21) где т = 0, 1, ..., М, будет обеспечиваться максимальный эффект. Для эффективной работы системы необходимо достаточно точно обеспечить разницу в расстояниях /, что может оказаться непростой задачей при разработке конструкции и сборке чувствительного элемента. Однако при успешном решении этой технической задачи станет возможным обеспечение высокой чувствительности интерферометрической ВОСС вне зависимости от положения рабочей точки.
Анализ эффективности двухканальной схемы показал, что ее применение в полной мере проблему обеспечения стабилизации параметров интерферометрического акустического датчика не решает. Это обусловлено тем, что даже при точной настройке разницы в расстояниях l, при которой интерференционные сигналы в каналах будут находиться в противофазе, сохраняются недопустимо большие «провалы» по чувствительности. Теоретически количество каналов в многоканальном ВОТИ, необходимое для поддержания заданной стабильности чувствительности, нетрудно определить в предположении оптимального взаимного смещения фаз синусоидальных статических характеристик преобразования каналов. Для 2-х каналов при = 900 максимальное снижение чувствительности составит 2,7 дБ, для 3-х каналов и = 600 – 1,2 дБ, для 4-х каналов и = 450 – 0,7 дБ (рисунок 4.9). Для такого идеализированного случая для сохранения стабильной чувствительности в диапазоне 3 дБ от максимального значения было бы достаточно всего двух каналов. Однако на практике из-за существующих технологических ограничений при реализации первичного преобразователя оптимальное взаимное смещение фаз в различных каналах реализовать не удается, поэтому число каналов оказывается больше и определяется опытным путем. Оптимальным является такое наименьшее число каналов, при котором обеспечивается требуемая стабильность чувствительности. Большее количество каналов будет избыточным и только усложнит систему.