Содержание к диссертации
Введение
1. Технологические основы создания волоконно оптических измерительных преобразователей 16
1.1. Универсальный измерительный комплекс для исследования волоконно-оптических измерительных преобразователей 16
1.2. Универсальный технологический комплекс для создания элементов распределенных волоконно-оптических измерительных систем 22
1.3. Методы создания измерительных преобразователей распределенных волоконно-оптических измерительных систем . 27
1.3.1. Измерительный преобразователь на основе волоконно-оптического интерферометра Фабри-Перо 27
1.3.2. Измерительный преобразователь на основе одноволоконного двухмодоюго интерферометра 35
1.3.3. Амплитудный измерительный преобразователь на основе перетяжки в многомодовом волоконном световоде 39
1.4. Выводы 44
2. Обработка и стабилизация выходных сигналов распределенных измерительных систем на основе одноволоконных интерферометюв 46
2.1. Устройство обработки интерференционного сигнала в одноволоконном двухмодовом интерферометре на основе перетяжки в волоконном световоде
2.2. Особенности работы одноволоконного двухмодового интерферометра в качестве чувствительного элемента измерительного преобразователя 56
2.3. Метод компенсации дрейфа рабочей точки на характеристике одноволоконного двухмодового интерферометра 63
2.4. Выводы 66
3. Основы создания конструкций преобразователей системы 67
3.1. Измерительные преобразователи на основе волоконно-оптического интерферометра Фабри Перо 67
3.2. Измерительные преобразователи на основе одноволоконного двухмодового интерферометра 74
3.2.1. Измерительный преобразователь на основе одноволоконного двухмодового интерферометра для измерения продольных деформаций 74
3.2.2. Измерительный преобразователь на основе одноволоконного двухмодового интерферометра для измерения поперечных колебаний поверхностей 77
3.2.3. Измерительный преобразователь на основе одноволоконного двухмодового интерферометра с повышенной чувствительностью 80
3.3. Измерительные преобразователи на основе перетяжки оболочки в многомодовом волоконном световоде 82
3.4. Выводы 87
4. Распределенные волоконно-оптические измерительные системы 89
4.1. Распределенная волоконно-оптическая измерительная система на основе амплитудных измерительных преобразователей 89
4.2. Волоконно-оптическая измерительная система в виде деформометра на основе одноволоконного двухмодового интерферометра 92
4.3. Конструктивные особенности измерительных линий для приема параметров вибрационных полей 93
4.4. Принципы организации распределенных волоконно-оптических измерительных сетей на основе интерферометрических измерительных преобразователей 98
4.5. Выводы 103
Заключение 105
Список литературы 108
Приложения 116
- Универсальный технологический комплекс для создания элементов распределенных волоконно-оптических измерительных систем
- Особенности работы одноволоконного двухмодового интерферометра в качестве чувствительного элемента измерительного преобразователя
- Измерительный преобразователь на основе одноволоконного двухмодового интерферометра для измерения продольных деформаций
- Конструктивные особенности измерительных линий для приема параметров вибрационных полей
Введение к работе
Развитие производства, расширение круга научных исследований, мониторинг окружающей среда невозможны без измерений большого числа физических величин: электрических, механических, химических и т.д. Эти величины характеризует состояние управляемых или исследуемых физических объектов или процессов. Поэтому в настоящее время все чаще возникает необходимость создания измерительных систем, способных осуществлять высокоэффективный сбор, передачу и обработку данных о состоянии сложных физических объектов [lf 2]. Например: в геофизике/ океанографии и т.д. сбор информации осуществляется на больших площадях, поэтому длина информационных каналов может достигать тысяч метров. В случае испсшьзования традиционных электронных измерительных средств это приводит к появлению значительного аддитивного шума вследствие использования длинных линий для передачи относительно слабых электрических сигналов, что снижает помехозащищенность системы. Кроме того, увеличение длины информационных каналов приводит к увеличению массы и стоимости всей измерительной системы в целом.
Для создания протяженной измерительной системы в виде сети наиболее всего подходят элементы волоконной оптики [3, 4]. Кроме того, волоконно-оптические системы обработки и передачи информации, позволяют увеличить скорость передачи данных до 10 Гбит/с [5], расширить полосу пропускания передаваемых сигналов до 10 ГГц [6], уменьшить потери для каналируемого излучения до уровня менее 0,2 дБ/км [7], обеспечить максимальную скорость ввода данных в электронную систему обработки и хранения информации [8]. Такие элементы имеют мальв габариты, компактность, высокую помехозащищенность. Все выше перечисленное позволяет решить проблемы, возникающие при организации каналов передачи информации между измеритель-ньми преобразователями и электронной обрабатывающей системой [9-15].
Успехи в создании волоконных световодов (ВС) с заданными параметрами [1&-19] и достижения в разработке компонентов волоконной оптики открыли возможности эффективного использования световодов не только в системах связи, но и в измерительных системах. Возможность передавать излучение по ВС на большие расстояния практически без потерь позволяет создать распределенный волоконно-оптический измерительный преобразователь (МП) [13, 20-23].
Во многих случаях процесс практического мониторинга физических величин и явлений связан с необходимостью измерения значений того или иного параметра в
конкретных точках пространства. Такие «точечные» измерения, могут сыть произведены с использованием широкого набора датчиков [24-37]. Однако это требует организации большого числа информационных каналов передачи данных в случае создании на их основе информационно-измерительной сети.
Поскольку чувствительный элемент (ЧЭ) волоконно-оптических преобразователей может быть выполнен любой длины, это позволяет создавать принципиально новые типы преобразователей - распределенные. Принцип действия распределенных волоконно-оптических преобразователей основан на том, что измерения производятся непрерывно вдоль траектории размещения волоконного световода. Это принципиальное отличие распределенных волоконно-оптических ИП от сосредоточенных требует разработок новых технологических подходов к их созданию. Кроме того, в распределенных волоконно-оптических преобразователях должна использоваться специальная регистрирующая техника, позволяощя произвести разделение результатов измерения параметров физических полей по длине ВС.
Таким образом, для успешного решения перечисленных выше проблем актуальной является разработка и экспериментальное исследование физических принципов создания входящих в состав распределенной волоконно-оптической измерительной систем (РВОИС) чувствительных элементов распределенных ИП.
В основу классификации чувствительных элементов волоконно-оптических ИП наиболее целесообразно положить различие в способе модуляции оптических параметров излучения в ВС при внешнем физическом воздействии [із].
Поскольку световую волну достаточно полно можно описать четырьмя параметрами: интенсивностью, поляризацией, фазой и длинной волны, которые изменяются под действием на ВС физической величины. Поэтому ИП можно условно разделить на четыре группы: амплитудные, фазовые, поляризационные и спектральные.
Необходимость исключения влияния всех негативных факторов на изменение спектрального состава излучения в ВС, требуемая высокая точность его регистрации, осложняют применение частотных методов [13]. Для регистрации и обработки сигналов ИП спектрального типа требует сложное и дорогое оборудование, поэтому наибольшее развитие к настоящему времени получили методы использующие амплитудную, фазовую и поляризационную модуляции света в оптическом волокне при внешнем физическом воздействии.
Использование принципов амплитудной шдуляции излучения в ВС наиболее перспективно для измерения физических воздействий, так как методы детектирования, основанные на изменении интенсивности света отличаются простотой реализации, ймгшитудная модуляция излучения наиболее удобна для дальнейшей обработки оптического сигнала. Большинство схем с амплитудной модуляцией не требуют использования одномодовьк ЕС и когерентного излучения, хотя некоторые из них реализуемы лишь при работе с поляризованным светом. Схемы амплитудной модуляции не предъявляют строгих требований ни к источнику, ни к приемнику излучения [15], а выходной сигнал не нуждается в дополнительной обработке.
Для построения амплитудного волоконно-оптического измерительного преобразователя физических величин могут быть использованы следующие принципы: внесение детерминированных потерь в ВС; нарушение условия полного внутреннего отражения от границ световода [28].
Методы измерений, используюшие чувствительный элемент отражательно-пропускательного типа, основаны на изменении оптического пропускания канала между источником и приемником излучения достигается не только за счет изменения свойств однородного материала, образующего оптический канал, но и при введении в него инородных элементов (шторок, диафрагм, решеток), уменьшающих поперечное сечение канала, а следовательно и его пропускание. В конструкциях таких ИП используются различные конфигурации расположения торцов излучающих и приемных ВС. Перемещение одного торца относительно другого, за счет инерционных свойств позволяет создавать простые ИП с амплитудной модуляцией [28]. Однако сложность создания оптической связи через воздушный зазор между ВС без больших потерь оптической мощности, а также необходимость установки рабочего положения каждый раз перед измерениями затрудняет использование такого ИП в РВОИС.
Методы измерений, основанные на нарушении условий полного внутреннего отражения от границ протяженного ВС, обладают хорошей линейностью, допускают использование многомодовых световодов, что во многом обеспечивает простоту их реализации [28]. Например, в ИП с микроизгибной модуляцией [8], использовался многомодовый ВС со ступенчатым изменением показателя преломления. Однако использование сложных механических систем для деформации ВС и неравномерность изгиба в них часто приводит к излому световода [28] . Это ограничивает применение этих устройств в РВОИС.
Методы измерений, использующие управляемую связь волноводов, обладают высокой чувствительностью. Отсутствие механической системы выгодно отличает их от методов, использующих нарушение условий полного внутреннего отражения. Однако технология изготовления волноводных структур, необходимых для реализации рассматриваемого метода, весьма сложна [із, 38]. Условие получения ЧЭ преобразователей с одинаковыми метрологическими характеристиками необходимыми для эффективной работы РВОИС трудно выполнимо.
Таким образом, из сушествукщэго многообразия измерительных преобразователей физических величин [8, 13, 15, 28, 38], используюних амплитудную модуляцию излучения в ЕС, их интеграция в ГОЖ затрудняется в силу имекщихся недостатков.
Следует также заметить, что по чувствительности методы, использукшие амплитудную модуляцию, уступают методам, использующим поляризационную и фазовую модуляцию излучения в ВС [із, 17, 20]. В тоже время при прохождении по ВС состояние поляризации направляемого излучения может изменяться не только вследствие собственной анизотропии волокна, но и в результате воздействия ряда (физических полей [39]. Такая индуцированная поляризационная модуляция излучения в ВС может быть использована для регистрации внешних воздействий на световод. Известно, что дополнительное двулучепрелсмление в ВС может быть легко достигнуто при деформационных воздействиях в результате возникновения механических напряжений и изменения геометрической формы волокна. Однако эти методы требуют соответствующих схем деюдуляции, выполняемых на основе различных типов поляризаторов. Эти элементы, как правило, должны устанавливаться в месте получения первичной информации, что связано с возможной деполяризацией излучения или дополнительным двулу череломлением, которое могут внести длинные световоды используемьБ в РВОИС, для передачи информационного сигнала. Использование скрещенного поляризатора и анализатора, располагаемых последовательно по световому лучу, вызывает значительные потери в измерительной системе, уменьшая регистрируемую мощность на два порядка, что в свою очередь приводит к уменьшению динамического диапазона поляризационных методов и делает этот метод не пригодньы для создания ЕВОИС.
Наиболее чувствительны*! методами приема физических величин с использованием ВС в качестве ЧЭ, являются методы, осюванньв на регистрации изменения фазы электромагнитной волны, распространяющейся по ВС. В общем случае формирование прсмздулированного по фазе оптического сигнала в световоде обуславливается изме-
нением эффективного показателя преломления и длины ВС. В свою очередь значение эффективного показателя преломления зависит от разности показателей преломления сердцевины и оболочки. Изменения последних двух параметров ВС насаждается в основном при деформациях световода вследствие возникновения механических напряжений и изменения геометрической формы волокна.
Современная техника оптической интерферометрии позволяет фиксировать изменения фазы колебаний до 1СГ8 рад [27]. Поскольку используются оптические сигналы с длиной волны порядка микрометра, это позволяет регистрировать ничтожно малые изменения оптической длинны пути излучения в ЕС. Поэтому, в большинстве случаев методы, использующие фазовую модуляцию излучения в ВС, применяются для регистрации малых воздействий например в задачах измерения гидростатического и акустического давления [за, 40-42]). На основе волоконно-оптических интерферометров можно создавать высокочувствительные ИП, отвечающие самым разнообразным требованиям к условиям эксплуатации и регистрируемым воздействиям. В тоже время необходимо помнить, что изменение таких внешних условий как температура, давление могут привести к значительным изменениям фазы светового излучения, что требует решения проблем стабилизации сигнала.
Для регистрации фазовых изменений в ВС используют одну из известных ингерфе-рометрических схем: Маха-Цендера, Майкельсона, Фабри-Перо, Саньяка и другие [13].
Волоконный интерферометр Маха-Цендера представляет из себя два световых плеча, одно из которых опорное, а другое - сигнальное, подвергаемое внешнему воздействию. Для интерферометрических измерений излучение из сигнального волокна сравнивается со световым лучом, прошедшим через изолированное от воздействий опорное волокно. Конструкция ЧЭ измерительного преобразователя, предложенная в работе [8], выполнена в виде простого механического осциллятора, содержащего груз, подвешенный между двумя волокнами, или груз, подвешенный к одному волокну.
Значительно более высокая чувствительность ИП достигается при использовании конструкции катушечного типа, когда вызванные воздействием изменения геометрических размеров упругого резинового цилиндра передается намотанному на него интерферометру [8]. Однако, методы регистрации внешних физических воздействий, использукпих интерферометрическую схему Маха-Цендера, крайне сложны в реализации из-за сложности конструкции оптической схемы, требующей хорошей изоля-
ции опорного канала для устранения еысокой паразитной чувствительности к нежелательным воздействиям окружающей среды [8, 27, 28].
Схема интерферометрического ИП не обязательно должна содержать два волоконные плеча, по каждому из которых распроаграняется одна года. Интерферометр может быть построен на основе волоконно-оптического интерферометра Фабри-Перо (ВОИФП). Этот интерферометр обладает высокой чувствительностью, как и все пере-численньЕ выше схемы, но прост конструктивно, сигнал фазовой модуляции на его выходе непосредственно преобразуется прауюдулированный по амплитуде оптический сигнал, который не требует дополнительной обработки и фильтрации [43]. Наконец, ЕШФП позволяет осуществить спектральное мультепликсирование выходных сигналов, что позволяет одновременно передавать по одному оптическому каналу информацию от нескольких ИП. Следует отметить, что ЕШФП конструктивно можно создавать из отдельных оптических деталей, даже придать определенную кривизну полупрозрачньм зеркальные покрытиям для понижения дифракции световой волны [31, 44, 45]. Однако этот метод в силу сложности конструкции не подходит для создания РЕШС. Поэтому ЕШФП с непосредственным напылением на торцы одномодового ЕС полупрозрачного зеркального покрытия с высоким коэффициентом отражения оказывается более технологичным и удобным для создания измерительных систем [31]. На основе технологии напыления зеркал в настоящее время созданы системы для стабилизации частоты лазера, анализаторы спектра оптических приборов [46, 47] и др. В работе [31] рассмотрена возможность использования интерферометра Фабри-Перо как ИП температуры и давления.
Вместе с тем, несмотря на очевидные достоинства, ЕШФП в качестве чувствительного элемента РЕШС не используется. Причина этого во многом заключается в отсутствии экспериментального материала и неполноте соответствущих математических моделей, описывакщих поведение ВОИФП при деформационных воздействиях. Актуальной также остается задача выбора оптимальной конструкции ИП.
Общим недостатком рассмотренных выше интерферометрических ИП является сложность оптической схемы обработки, необходимость использования одномо-довых ВС и методов активной и пассивной стабилизации [27].
Среди конструкций волоконных интерферометров особый интерес вызывает одноволоконный многомодовый интерферометр. Это, пожалуй, единственный тип интерферометра, использующий многомодовое ВС, что позволяет резко удеше-
вить и упростить конструкцию РВОИС. Выходной сигнал такого интерферометра формируется в результате взаимной интерференции различных направляемых мод. Однако к недостатку этого метода следует отнести сложность регистрации спекл-картины на выходе из оптического волокна. Поэтому для обработки его сигнала требуется пространственная фильтрация, что усложняет конструкцию ИП и увеличивает его габариты.
Одноволоконный двухмодовый интерферометр (ОДИ) [із, 19], использующий двухмодовый ВС, позволит удешевить и упростить конструкцию ИП. Применение одного световода, с большим диаметром светопроюдящеи сердцевины, в конструкции ЧЭ позволяет частично устранить проблему согласования волокна с источниками излучения. Преимущество ода также заключается в том, что юаимодействующие моды распространяется в среде с одной и той же температурой, подвергающейся одним и тем же воздействиям. Выходной сигнал изменяется только тогда, когда внешнее воздействие по-разному влияет на каждую из мод. Однако существует сложность регистрации интерферометрической картины на выходе из ОДИ вызванной случайными набегами фазы мод из-за рассеяния на неоднородностях сердцевины и границы сердцевина-оболочка [48, 49].
Поэтому одной из задач, стоящих перед исследователями при использовании ОДИ в качестве ЧЭ распределенного измерительного преобразователя, является поиск новых эффективных способов обработки интерференционной картины излучения на выходе двухмодовых ВС для эффективного вьщеления полезной информации на фоне модовых шумов.
Таким образом, прмэнение распределенных волоюнно-оптических преобразователей привносят новое качество или новье возможности в информационно-измерительные системы. Например, существенно уменьшается число соединительных линий и количество необходимого измерительного оборудования, а значит и стоимость измерительной системы. Малые масса и размеры, высокие прочность и гибкость ВС открывают широкие перспективы создания распределенных информационно-измерительных сетей, способных применяться для реюнструкции распределения параметров крупномасштабных ^мзических полей (акустических, сейсмических, и т.п.).
Однако, несмотря на очевидное преимущество распределенных волоконно-оптических ИП они не получили широкого распространения. Главным образом это обусловлено тем, что на данный момент практически не разработаны физические
Универсальный технологический комплекс для создания элементов распределенных волоконно-оптических измерительных систем
Выходной сигнал такого интерферометра формируется в результате взаимной интерференции различных направляемых мод. Однако к недостатку этого метода следует отнести сложность регистрации спекл-картины на выходе из оптического волокна. Поэтому для обработки его сигнала требуется пространственная фильтрация, что усложняет конструкцию ИП и увеличивает его габариты.
Одноволоконный двухмодовый интерферометр (ОДИ) [із, 19], использующий двухмодовый ВС, позволит удешевить и упростить конструкцию ИП. Применение одного световода, с большим диаметром светопроюдящеи сердцевины, в конструкции ЧЭ позволяет частично устранить проблему согласования волокна с источниками излучения. Преимущество ода также заключается в том, что юаимодействующие моды распространяется в среде с одной и той же температурой, подвергающейся одним и тем же воздействиям. Выходной сигнал изменяется только тогда, когда внешнее воздействие по-разному влияет на каждую из мод. Однако существует сложность регистрации интерферометрической картины на выходе из ОДИ вызванной случайными набегами фазы мод из-за рассеяния на неоднородностях сердцевины и границы сердцевина-оболочка [48, 49].
Поэтому одной из задач, стоящих перед исследователями при использовании ОДИ в качестве ЧЭ распределенного измерительного преобразователя, является поиск новых эффективных способов обработки интерференционной картины излучения на выходе двухмодовых ВС для эффективного вьщеления полезной информации на фоне модовых шумов.
Таким образом, прмэнение распределенных волоюнно-оптических преобразователей привносят новое качество или новье возможности в информационно-измерительные системы. Например, существенно уменьшается число соединительных линий и количество необходимого измерительного оборудования, а значит и стоимость измерительной системы. Малые масса и размеры, высокие прочность и гибкость ВС открывают широкие перспективы создания распределенных информационно-измерительных сетей, способных применяться для реюнструкции распределения параметров крупномасштабных мзических полей (акустических, сейсмических, и т.п.).
Однако, несмотря на очевидное преимущество распределенных волоконно-оптических ИП они не получили широкого распространения. Главным образом это обусловлено тем, что на данный момент практически не разработаны физические и технологические основы создания распределенных волоконно-оптических ИЇЇ амплитудного и интерферометрического типа, предназначенных для создания распределенных информационно-измерительных сетей [24-37]. Следует также отметить, что уже разработанные распределенные волоконно-оптические ИП представляют собой отдельные измерительньк устройства со сложной, и порой громоздкой аппаратурой регистрации и обработки выходного сигнала, что значительно затрудняет интеграцию их в единую крупномасштабную измерительную сеть.
При создании РЕШС, кроме ЧЭ преобразователей и линий связи необходимо использовать другие волоконно-оптические элементы: разветвители, соединители, фазовые модуляторы и т.п. Так как при этом различные волоконно-оптические элементы должны быть последовательно интегрированы в одну измерительную линию, то это приводит к увеличению как шумов в оптическом тракте, так и потерь оптической мощности на местах соединения. В результате, на практике в таких измерительных линиях наблюдается низкая чувствительность измерений. Поэтому для улучшения таких важных параметров как чувствительность и стабильность измерительных систем, в настоящее время, как в нашей стране, так и за рубежом ведутся исследования по разработке новых волоконно-оптических элементов [50-52], созданию новых материалов используемых в волоконной оптике [53-54].
Таким образом, задача исследования и разработки распределенных волоконно-оптических измерительных преобразователей, решение проблемы объединения их в единые инфоршщонно-измерительные сети и создания соответствующей элементной базы является актуальной. Это требует решения комплекса задач по исследованию характеристик ЧЭ преобразователей на основе ВОШІ, ОДИ и многомодовых ВС; изучению фазовых и амплитудных изменений, вызванных деформацией ЕС; разработке технологий создания волоконно-оптических компонентов, как для отдельных ЧЭ преобразователей, способных обеспечить значительную глубину модуляпии фазы мод и амплитуды интенсивности излучения ВС, так и для устройств повышающих эффективность работы всей РВЭИС; исследованию метода обработки интерферениионной картины излучения из ОДИ; юзможности реализации пространственного фильтра и устройства компенсации дрейфа рабочей точки; изучению возможности улучшения параметров интерферометра Фабри-Перо; возможности повышения чувствительности амплитудных ВОД.
Целью настоящей работы является разработка физических и технологических основ построения распределенных волоконно-оптических информационно 11 измерительных систем, а также разработка и исследование технологий создания ее элементной базы, включая волоконно-оптические измерительные преобразователи интерферомегрического и амплитудного типа.
На зашиту выносятся следующее результаты, полученные в настоящей работе: 1. Технологические приемы, создания измерительных преобразователей на основе волоконно-оптического интерферометра Фабри-Перо и одноволоконного двух-модового интерферометра для распределенных волоконно-оптических измерительных систем и конкретные конструкции измерительных преобразователей на их основе. 2. Конструкция чувствительного элемента амплитудного преобразователя, выполненного в виде перетяжки многомодового световода, имеющей Q-образный изгиб. 3. Конструкция пространственного фильтра, выполненного в виде перетяжки световода, имеющей S-образный изгиб, для фазовой демодуляции выходного сигнала одноволоконного двухмодового интерферометра. 4. Методы контроля и стабилизации рабочей точки одноволоконного двухмодового интерферометра, основанные на использовании дополнительной опорной модуляции длины интерферометра, которые обеспечивают эффективную компенсацию дрейфа рабочей точки в условиях воздействия негативных факторов окружающей среды. 5. Технологические приемы создания распределенных волоконно-оптических измерительных сетей на базе распределенных измерительных преобразователей интерферометрического и амплитудного типа. Практическая значимость работы: заключается в том, что представленные в работе исследования закладывают фундамент для создания распределенных контрольно-измерительных систем, предназначенных для исследования различных физических полей и мониторинга состояния природных и техногенных объектов. Исследования технологических основ конструирования элементов распределенных волоконно-оптических измерительных систем позволили предложить принципы создания информационно-измерительных комплексов, предназначенных для создания систем управления сложными многопараметрическими процессами, охраны объектов и территорий, а также для дистанционного мониторинга технических конструкций в процессе эксплуатации.
Особенности работы одноволоконного двухмодового интерферометра в качестве чувствительного элемента измерительного преобразователя
Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Обший объем диссертации составляет 121 страницы текста, вклкнает 56 рисунков, 17 таблиц и список литературы из 127 наименований.
Во введении обсуждается современное состояние развития измерительных преобразователей на основе различных оптических схем для использования в распределенных волоконно-оптических измерительных системах, ставится задача исследований, определяется цель работы, выдвигаются защищаемые положения.
В первой главе приводится описание экспериментальной установки, позволяющей производить весь комплекс работ по изготовлению волоконно-оптических чувствительных элементов измерительных преобразователей, предназначенных для РВОИС. Рассмотрен широкий круг вопросов, связанных с исследованием оптических и механических характеристик чувствительных элементов. Также рассматриваются технологические приемы создания и сборки измерительных преобразователей.
Во второй главе рассмотрены особенности обработки выходных сигналов и стабилизации параметров распределенных волоконно-оптических измерительных систем на основе одноволоконных двухмодовых интерферометров. Разработано устройство прстранственного фильтра, в виде перетяжки световода, имеющей S-образный изгиб. Экспериментально показано, что пространственный фильтр в виде перетяжки световода, имекщей S-образньй изгиб позволяет более эффективно преобразовать сигнал о прирашении фазы между направляемыми модами в изменения интенсивности излучения. Представлены оптимальные конструктивные параметры этого фильтра. Рассмотрен механизм дрейфа рабочей точки на передаточной характеристике ОДИ и предложен способ определения оптимального положения рабочей точки. Создана конструкция устройства установки рабочей точки. Экспериментально исследован метод компенсации дрейфа рабочей точки ОДИ, в условиях резкого изменения температуры окружающей среды.
Третья глава посвящена рассмотрению как общих метрологических особенностей взаимосвязанных преобразований в чувствительных элементах различных РВОИС, так и рассмотрению физических принципов создания базовых ЧЭ преобразователей на основе ВОИФП и ОДИ, а также амплитудной модуляции. Разработана многофункциональная конструкция ЧЭ на основе ВОИФП (раздел 1.2), размещенного между двух соединений с подводящим и отводящим оптическое излучение ВС. Разработана конструкция ИП на основе ЮИФП с чувствительным элементом типа «груз-струна». Вьработаны требования к вязкости среды для обеспечения линейности АЧХ. Разработана многофункциональная базовая конструкция ЧЭ преобразователя на основе ОДИ. Рассмотрена базовая конструкция ЧЭ на основе ОДИ типа «груз-струна». Разработана и исследована конструкция ИП, когда изменение длины ВС происходит в результате изменения формы поверхности объекта, с которой жестко связан ОДИ. Теоретически и экспериментально исследована работа амплитудного ИП на основе в виде перетяжки мно гомодового световода, имеющей 0-образное смещение.
В четвертой главе излагаются принципы организации волоконно-оптических измерительных систем интерферометричесгого и амплитудного типа и приводятся результаты исследований процессов сбора и обработки информации при помощи этих систем. Разработана конструкция протяженного деформометра на основе ОДИ, при длине чувствительного элемента, равной 100 м. Исследованы процессы приема сигналов о воздействии физических полей протяженными волоконными измерительными линиями на основе ОДИ. Показано, что интерферометрический ИП обеспечивает восстановление распределений таких параметров физических полей, как амплитуду, скорость или ускорение механических колебаний. Рассмотрена конструкция протяженной измерительной линии. Разработаны и экспериментально подтверждены технические принципы построения и организации распределенной волоконно-оптической измерительной сети томографического типа на основе интерферометрических и амплитудных преобразователей. Создана сеть интерферометрического типа размерностью 10x10, состоящая из 40 измерительных линий, содержащей по 10 преобразователей на каждой. Разработана сеть амплитудного типа на основе амплитудных ИП размерностью 4x4, состоящая из 15 измерительных линий, содержащая по 4 преобразователя на каждой. Исследованы тригональная и сегментарная топологии распределенной волоконно-оптической измерительной сети.
В заключении излагаются основные результаты работы, их научная и практическая значимость. В настоящей работе решается задача создания и комплексного исследования волоконно-оптических измерительных преобразователей, предназначенных для распределенных волоконно-оптических измерительных систем. Решение поставленной задачи тесно связано с разработкой соответствующей экспериментальной базы, технологий изготовления измерительных преобразователей, а также рассмотрения широкого круга вопросов, связанных с исследованием оптических и механических характеристик применяемых волноводных структур, условий ввода излучения в волоконный световод, изучением фазовых изменений в ВС под воздействием статических и динамических деформаций, изучением различных способов обработки картины межмодовой интерференции (КМИ) на выходе двухмо-дового ВС.
Измерительный преобразователь на основе одноволоконного двухмодового интерферометра для измерения продольных деформаций
Для повышения амплитудной чувствительности ВС к деформационным воздействиям, используют дополнительные промежуточные механические устройства (де-формеры). Эти устройства позволяют усиливать величину измеряемых воздействий [28]. Однако, применение этих устройств в РВОИС приводит к снижению эксплуатационной надежности ИП и значительно усложняет конструкции ЧЭ. Поэтому принципиальное значение имеет поиск способов повышения амплитудной чувствительности ВС к деформационным воздействиям без использования вспомогательных механических элементов.
Например, в работе [74] был рассмотрен простой способ повышения амплитудой чувствительности ВС к изгибу. Для этого на ВС создается перетяжка в виде общего уменьшения диаметра волокна, как показано на рисунке (рис. 19 а)). Изгиб делается по методике описанной в разделе 1.2.
Недостатки конструкции такого ЧЭ (рис. 19 а) связаны с нелинейностью изменения мощности прошедшего через перетяжку оптического излучения от величины изгиба и невозможностью определить по принимаемому сигналу направление изгиба исследуемой поверхности.
Как известно уменьшение диаметра световода на чувствительном участке открывает возможность в более широком диапазоне управлять интенсивностью направляемого излучения в ИП и эффективно измерять сигнал даже при небольших изгибах в области перетяжки [62, 74]. Однако, результаты работы [74] свидетельствуют о внесении начальных больших потерь мощности (кривая 1 рис. 20) на перетяжке, что затрудняет использование данного ЧЭ преобразователя в РВОИС.
Поэтому в настоящей работе были разработаны и исследованы две конструкции ЧЭ амплитудного преобразователя на основе перетяжки в ВС стандартного диаметра [76, и, ы], позволяющие решить перечисленные выше проблемы.
В первой конструкции предусмотрено значительное уменьшение уровня потерь оптической мощности излучения в области перетяжки. Конструкция второго ЧЭ предусматривает улучшенную линейность зависимости мощности направляемого излучения от величины изгиба и предусматривает возможность определения направления изгиба исследуемого участка поверхности.
Конструкция первого ЧЭ предполагает создание перетяжки только путем уменьшения диаметра оболочки световода, тогда как диаметр сердцевины остается неизменньм, как показано на рис. 19 б). Для создания необходимого диаметра оболочки был разработан простой способ создания перетяжки. Поверхности оболочки вытравливалась в плавиковой кислоте с последукщем ее оплавлении в электрическом разряде до зеркально ровной поверхности (разделе 1.2) .
Как показали результаты экспериментальных исследований (рис. 20 кривая 2), только при значениях диаметра перетяжки менее 2r2ci - 60 мкм наблюдается резкое увеличение начального уровня потерь оптической мощности. Также в ходе экспериментов выяснилось, что для малого диаметра перетяжки {2r2ci 75 мкм) изгиб волокна наблюдается в области перетяжки, а в случае же большего диаметра [2г2с1 75 мкм) изгиб распределяется по всей длине световода, что приводило к резкому уменьшению кривизны ВС и уменьшению чувствительности.
Таким образом, оптимальный диаметр перетяжки для многомодового ВС [2гс1 = 126 мкм, 2гсо= 50 мкм; пт= 1,51 и пс1= 1,5) находится в интервале от 60 до 10 мкм. Как видно из рис. 20 начальный уровень потерь мощности для перетяжки созданной по способу, предложенному в работе [74], составляли более 3 дБ {2r2ci =60 мкм), в то время как уровень потерь мощности для перетяжки, рассмотренной выше составляли не более 0,4 дБ (2г2сі =60 мкм).
Таким образом, использование перетяжки многомодового ВС для создания ЧЭ амплитудных преобразователей, позволяет не только значительно повысить прочность и эластичность ЧЭ, но и увеличивает чувствительность преобразователя к деформациям изгиба,
Однако, как показано на рис, 19 б), амплитудный ИП созданный на основе перетяжки будет иметь нелинейную зависимость величины мощности направляемого излучения от величины изгиба, а также из полученного сигнала невозможно определять направление изгиба.
Поэтому в настоящей работе проведены исследования по созданию ЧЭ с улучшенной линейностью зависимости интенсивности направляемого излучения от величины изгиба для определения направления изгиба исследуемого участка поверхности. Для этого был создан ЧЭ на основе перетяжки с П-образным смещением оси ВС (рис. 19 в).
Конструктивные особенности измерительных линий для приема параметров вибрационных полей
В общем случае слагаемые в выражении (28) не являются независимыми величинами [8?]. Кроме того, некоторые типы деформации (например, при изгибе, поперечном давлении, скручивании) одновременно влияют на длину и показатель преломления материала ВС [із, 88]. В таких случаях изменение показателя преломления также можно связать с удлинением AL световода [49].
В случае, когда происходит удлинение световода, то в выражении (28), как видно, не содержится слагаемого, описывающего зависимость коэффициента преломления материала ВС от внешних воздействий. Иными словами изменение коэффициента преломления в ВС индуцирует одинаковые фазовые изменения для обеих мод, которые в результате компенсируют друг друга [зэ]. Это означает, что ОДИ будут обладать сравнительно низкой температурной чувствительностью только за счет теплового расширения. Данное обстоятельство является преимуществом тогда, когда температура является нежелательным фактором.
Однако, рассмотренный выше способ установки рабочей точки путем начального удлинения ОДИ хорошо реализуется только при визуальном детектировании интенсивности пятен на экране. Недостатком выражения (26) является неопределенность в знаке АХ (степени натяжения) для устройства обработки в виде перетяжки с -образным изгибом оси ВС.
Для определения знака A L (начальное удлинение) в настоящей работе предложен метод контроля рабочей точки с помощью дополнительного внесения изменения длины ОДИ по гармоническому закону. Амплитуда модулированного оптического сигнала должна быть небольшой, а частота достаточно высокой, чтобы не вносить дополнительные искажения в общий оптический сигнал, принимаемый на выходе из ОДИ. По изменению амплитуды эталонного высокочастотного выходного сигнала ОДИ можно определить положение рабочей точки.
Таким образом, необходимо выполнять дополнительные удлинения ОДИ, чтобы выставить рабочую точку в линейную область характеристики интерферометра и с помощью эталонной модуляции сигнала интерферометра можно контролировать ее положение. При этом для начального удлинения необходимо выполнить только чистое растяжение ВС, и избежать внесения изгиба, скручивания и поперечного механического давления, которые могут дополнительно повлиять на значение разности фаз между модами LPQ1 и ЬРц_
Для этого было создано специальное устройство для одновременной установки рабочей точки и эталонного модулирования [si], конструкция устройства представлена на рис. 31 а). Корпус 5 устройства изготавливается фрезерованием металла А1 и представляет собой полый цилиндр и двумя крышками 4, 10. Конструкция устройства состоит из следующих частей: керамической трубки 1, вольфрамовой проволоки 2 и корпуса с крышками, пьезокерамического элемента 9, цилиндра 8 из упругого материала (полиуретана) с намотанным на него в виде витков ВС 7 и металлической пружины 6. Изготовление полиуретанового цилиндра осуществляется путем вырезания из листа полиуретана. Затем на цилиндр в виде витков наматывается ВС и заливается герметикой, с обеих сторон к цилиндру приклеиваются металлические заглушки. Изготовление модулятора 9 происходит стандартным методом, т.е. склеивание между собой пьезо-керамических элементов эпоксидной смолой и припаивания проводков. В Таблице 9 представлена последовательность этапов сборки ИП из готовых частей корпуса.
Конструкция устройства позволяет вытягивать ВС на необходимые значения М при сдавливании с торцов упругого цилиндра. Под действием силы внешнего воздействия Fm происходит сжатие упругого цилиндра. Эта сила зависит от силы давления металлической пружины Fp, ограниченной силой натяжения вольфрамовой проволоки F„. Плавная регулировка происходит за счет изменения величины силы тока проходящего по вольфрамовой проволоке, которая изменяет свою длину в результате нагрева. В результате сила упругости создаваемая упругой средой цилиндра равна: р = Fm(E-S)/L г гл-е модуль Юнга ВС, S - площадь сечения цилиндра, L длина ВС намотанного на цилиндр.
Изменение длины Мс волоконного световода намотанного N раз вокруг упругого цилиндра, согласно [28], описывается выражением kLc=ft-N-Fm!(E-2R),
Экспериментальная зависимость величины сжатия упругого цилиндра Д D от удлинения ОДИ ALC при разной длине намотанного ВС представлена на рис. 31 б) . Из рисунка видно, что чувствительность ОДИ, к регулировке достаточно высока и зависит от длины намотанного волоконного световода.
С другой стороны упругий цилиндр упирается в пьезокерамический элемент, который может сжимать цилиндр по гармоническому закону, как показано на рис 31 а). Для рассмотрения работы этого модулятора, предположим, что в результате воздействия сил Y0(& ) периодического сдавливания упругий цилиндр расширяется. Сила упругости создаваемая упругой средой цилиндра равна: F = Y0(a )ES /L . Изменение длины Мт ВС, намотанного JV раз вокруг упругого цилиндра диаметром 2R, под действием f№„ составляет [га]: мя = p-Nm fiSJ{E-2R), где т- масса всех конструктивных элементов прикрепленных к цилиндру сверху
