Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Фазовая модуляция в волоконнооптических датчиках (обзор литературы) 11
1.1. Особенности фазовой модуляции в волоконнооптических интерферометрических датчиках различного типа 11
1.2. Цельноволоконные датчики угловой скорости 17
1.3. Цельноволоконные фазовые модуляторы. 23
1.4. Технология намотки волоконного световода на фазовый модулятор 26
1.5. Измерение параметров фазовой модуляции 28
1.6. Общая эффективность фазовой модуляции 33
Глава 2 Высокочастотные резонасные модуляторы . 35
2.1. Модуляторы с пьезопластинкой и типа «кольцо на кольце» 35
2.2. Численный анализ колебаний кольца 38
2.3. Амплитуды движений точек при радиальных колебаниях 46
2.4. ВЧ модулятор типа "кольцо в кольце" 48
2.5. ВЧ модулятор типа "сэндвич" простой и составной 55
Глава 3. Низкочастотные резонансные модуляторы 59
3.1. НЧ модулятор типа "С-кольцо".. „ 61
3.2. НЧ модулятор типа "Камертон" 69
3.3. Увеличение эффективности низкочастотных модуляторов, получение сверхбольших девиаций фазы .76
Глава 4. Паразиты компенсации ..77
4.1. Определения, методы компенсации , 77
4.2. Метод компенсации двулучепреломления при помощи V-канавки 84
4.3. Схема измерения уровня паразитных модуляций 89
4.4. Снижение уровня паразитньтх типов модуляций при укладке волокна в V-канавку 92
4.5. Модуляторы на основе анизотропных волокон 94
4.6. Потерн на изгибах и переходах 100
Заключение 107
Литература 109
- Особенности фазовой модуляции в волоконнооптических интерферометрических датчиках различного типа
- Амплитуды движений точек при радиальных колебаниях
- Увеличение эффективности низкочастотных модуляторов, получение сверхбольших девиаций фазы
- Снижение уровня паразитньтх типов модуляций при укладке волокна в V-канавку
Введение к работе
1. Актуальность исследований
В волоконно-оптических интерферометрических датчиках физических величин, таких, как датчики угловой скорости (ДУС), гидрофоны, акселерометры и других, как правило используется фазовая модуляция оптических волн для получения выходного сигнала модуляционным методом. В таких датчиках применяются главным образом одномодовые волоконные световоды (ОВС). С помощью модуляции фазы определяется знак сдвига интерференционной картины, достигается большой динамический диапазон измерений.
В настоящее время находят применение в основном два вида модуляторов фазы: электрооптические модуляторы на основе интегрально-оптических схем с волоконными выходами и цельноволоконные модуляторы (ВФМ) намоточного типа на основе пьезокерамических возбудителей акустических колебаний. Наиболее широко применяются цельноволоконные модуляторы благодаря простой технологии изготовления, удобству согласования с волоконно-оптическими элементами, низким искажениям оптического сигнала при модуляции, пренебрежимо малому уровню отражённого сигнала, малым потерям и низкой стоимости.
Простым и до сих пор часто используемым является ВФМ на основе пьезоцилиндра или кольца, на боковую поверхность которого намотан с натяжением волоконный световод (модулятор «намоточного типа»). При радиальных колебаниях цилиндра изменяется полный оптический путь (фаза) световой волны главным образом за счет изменения длины волокна. Однако такие простые ВФМ имеют заметный уровень паразитных типов модуляции, которые могут существенно ограничивать точность датчиков. Кроме того, простые ВФМ имеют низкую стабильность параметров из-за большого температурного коэффициента расширения пьезокерамики, что может вести к дрейфу состояния поляризации на его вмхоїй^'^ИЙЙ&Яй^тїЬвользоваїїие
I ClteKrfypr j
модулятора в резонансном режиме работы. На резонансной частоте фазовый модулятор, представляющий собой акустический резонатор, колеблется в режиме одной пространственной акустической моды. Эффективность фазовой модуляции при этом резко увеличивается. За счет фильтрации минимизируются искажения модулируемого оптического сигнала, обусловленные как наличием паразитных гармоник в модулирующем сигнале, так и внешними акустическими воздействиями на волокно модулятора. Рабочие частоты модуляции для большинства типов датчиков находятся в диапазоне от единиц до сотен килогерц. Разработка конструкции и технологии резонансных ВФМ со стабильными параметрами для указанного диапазона представляет большой интерес.
В ряде схем волоконно-оптических датчиков используется модуляция оптического излучения на низких частотах порядка единиц килогерц. Обычно в качестве низкочастотного ВФМ применяют ВФМ в нерезонансном режиме на частоте ниже первого радиального резонанса Однако при этом значительно снижается эффективность модуляции, а также возбуждается несколько соседних мод акустических колебаний и сложная картина биений может привести к увеличению шума в выходном сигнале датчика. Поэтому разработка резонансных НЧ ВФМ является актуальной задачей.
Для снижения погрешности сигнала ВФМ должен иметь малый уровень паразитных типов модуляции. В модуляторах намоточного типа наибольший вклад вносит паразитная поляризационная модуляция (ППМ). Она приводит к сигналу на выходе прибора, не связанному с измеряемой величиной, и серьёзно ограничивает точность датчика.
Среди предложенных методов подавления ППМ преобладают компенсационные методы с использованием конверсии волоконных поляризационных, мод. Однако методы на основе двух идентичных пьезоволоконных модуляторов с конвертором мод между ними имеют невысокую стабильность компенсации и большую трудоёмкость настройки, а
более перспективные недостаточно изучены. Поэтому снижение уровня ППМ в модуляторах остаётся весьма актуальным.
Исследования проводились в рамках разработок высокоточных волоконно-оптических датчиков угловой скорости на основе волоконного кольцевого интерферометра (ВКИ) Саньяка. В этих схемах, как известно, существует определённая частота фазовой модуляции (называемая собственной), при которой не только максимизируется вносимый модулятором динамический сдвиг фаз между встречными волнами, но и уменьшаются (теоретически до нуля) вносимые модулятором ошибки в сигнал датчика Поэтому настройка резонансной частоты модуляторов на собственную для используемых контуров была ещё одной важной задачей.
Таким образом, проведенные в диссертации экспериментальные исследования резонансных цельноволоконных модуляторов фазы оптического излучения являются актуальными и представляют большой практический интерес.
Цели работы
Целями настоящей работы явились разработка конструкций п исследование новых типов цельноволоконных резонансных фазовых модуляторов для высокоточных интерферометрнческих датчиков, исследование паразитных видов модуляций в ВФМ и методов их снижения, а также повышение моночастотности и увеличение эффективности фазовой модуляции.
Научная новизна
На основе исследований, выполненных в диссертационной работе, на защиту выносятся следующие положения:
1. Предложены и разработаны новые типы низкочастотных резонансных волоконных модуляторов намоточного типа, обладающие низким уровнем паразитных типов модуляции, большой девиацией фазы и хорошей моночастотностью. Впервые показано, что (а) существует нижний предел резонансной частоты при заданных габаритах и массе модулятора и он
определяется свойствами световода, (б) существует оптимальное соотношение числа растягиваемых волоконных участков и упругости пьезометаллической конструкции по критерию «эффективность ФМ / резонансная частота».
2. Для снижения уровня паразитной поляризационной модуляции (ППМ)
в модуляторе на изотропном волокне предложена укладка световода при
намотке в канавку с определённым углом. В результате уровень ППМ снижен в
несколько раз. Уровень МИ во всех модуляторах на два-три порядка ниже
уровня ППМ.
3. Для модулятора на анизотропном волокне предложен и реализован
метод компенсации ППМ посредством применения двухобмоточного ВФМ с
промежуточной конверсией волоконных поляризационных мод. Достигнуто
снижение уровня ППМ примерно на порядок.
На основе предложенных методов в диссертации разработаны и исследованы ВФМ с низким уровнем ППМ.
Практическая ценность результатов работы
Исследования проводились в рамках работ, выполнявшихся, по совместным Распоряжениям Правительства и Президиума Академии наук. Разработанные нами фазовые модуляторы предназначены для применения в высокоточных датчиках физических величин, таких, как датчики угловой скорости, гидрофоны, акселерометры, и других. Результаты работы нашли применение в ИРЭ РАН, в Арзамасском объединении АППО, в НИИ технического стекла, Раменском приборостроительном объединении и на предприятиях других ведомств.
Апробация
Результаты работы докладывались на семинарах в ИРЭ РАН и некоторых других организациях. Научно-технические отчёты передавались в указанные организации по договорам.
Публикации, Результаты диссертации опубликованы в 4 печатных работах. Получено 1 авторское свидетельство на изобретение.
Структура диссертации: диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы. Она содержит 112 страниц, в том числе 101 страницу основного текста, 45 рисунков, 4 таблицы. Список литературы включает 35 наименований.
Особенности фазовой модуляции в волоконнооптических интерферометрических датчиках различного типа
Для: формулировки основных требований J к фазовым модуляторам рассмотрен выходной интерференционный сигнал минимальной схемы. ВКИ Саньяка и проанализированы пути увеличения динамического диапазона измерения вращений. В частности, рассмотрены схемы измерения амплитуд гармоник и счёта временных интервалов (схемы с открытым контуром) и схемы с пилообразной фазовой модуляцией и стробированием сигнала фотоприёмника (схемы с замкнутым контуром). Показано, что использование дополнительного НЧ модулятора позволяет практически снять ограничения на динамический диапазон датчика. Для таких схем необходимы низкочастотные модуляторы с большими девиациями фазы и стабильными параметрами, результаты исследования которых изложены в третьей главе.
Описана, технология намотки волокна на резонатор и методика измерения параметров фазовой модуляции.
Во второй главе приводятся результаты, теоретических и экспериментальных исследований резонансных высокочастотных модуляторов. При необходимости иметь резонансную частоту фазового модулятора в диапазоне от 30 до 300 кГц применяются фазовые модуляторы с распределённым резонатором в виде кольца, колеблющегося на одной из низших мод радиальных акустических колебаний. В работе были исследованы собственные резонансы составных тел с цилиндрической внешней поверхностью и на их основе разработаны конструкции модуляторов кольцевого типа. Они имеют следующие достоинства: высокую моночастотность, как следствие простой геометрии; отсутствие кратности резонансных частот; значительно сниженный уровень паразитной ПМ; низкий уровень изгибных потерь при использовании стандартных пьезоэлементов. Нами был проведён анализ колебательных характеристик кольца с произвольной толщиной стенки. В качестве модели было выбрано однородное тонкое кольцо, колеблющееся на одной из низших мод радиальных колебаний. Параметры резонансов весьма близки к расчётным, когда масса пьезовозбудителя мала по сравнению с массой основного- резонансного объёма. Кроме того, в случаях соизмеримости масс пьезовозбудителя и пассивной части резонатора анализ выявляет закономерности и даёт верхние оценки резонансных частот; Расчёт собственных частот низших колебательных мод YQ И Y\ в зависимости от отношения внутреннего радиуса кольца к внешнему показал, что они не кратны а при отношении радиусов 0,21 мода Y\ вообще не существует, и в результате при работе на моде YQ достигается высокая моночастотность. Описана; методика расчёта и создания модулятора на заданную резонансную частоту. В частности, рассмотрены, особенности изготовления модуляторов типа "кольца в кольце" и "сэндвич". Выявлено, что в модуляторе типа "сэндвич" радиальные колебания, приводящие к фазовой модуляции, возбуждаются; толщинными колебаниями пьезоэлемента в центральной части вследствие взаимосвязи между формами движения различных частей объёмного резонатора. Изготовленные модуляторы удовлетворяли основным требованиям, предъявляемым к модуляции в высокоточных волоконнооптических датчиках.. Третья глава посвящена разработке и исследованию модуляторов, предназначенных для работы на низких частотах с большими девиациями фазы. В ряде схем датчиков на основе ВКИ используются модуляторы с низкой резонансной частотой, порядка единиц кГц и девиацией фазы до 100 рад. Они основаны на изгибных или крутильных колебаниях, что позволило значительно снизить резонансную частоту. В НЧ-модуляторах намоточного типа общая угловая упругость складывается из углово й упругости пьезометаллической конструкции модулятора и угловой упругости натянутых волоконных участков, которая, в свою очередь, равна произведению угловой упругости одного натянутого участка на их число. В результате квадрат резонансной частоты линейно зависит от числа натянутых волоконных участков. Описаны две разработанные весьма эффективные конструкции НЧ-модуляторов: "С-кольцо" и "камертон". Продемонстрировано, что для всех конструкций квадрат резонансной частоты линейно зависит от числа натянутых волоконных участков.: Выяснилось, что из экспериментальных данных можно определить угловую упругость пьезометаллической части в единицах угловой упругости натянутых волоконных участков/Зависимости общей эффективности фазовой модуляции от числа натянутых волоконных участков имеют более сложный; вид: при1 малом числе натянутых волоконных участков наблюдается отчётливый рост, а при большом общая эффективность увеличивается незначительно. Отношение общей эффективности фазовой модуляции к квадрату резонансной частоты имеет максимум, и можно сказать, что оптимальной является угловая упругость пьезометаллической части модулятора, примерно равная суммарной упругости растягиваемых волоконных участков, Разработанные модуляторы: успешно использовались в нескольких лабораторных макетах ДУС... В четвёртой главе рассмотрены методы- снижения уровня паразитных типов модуляции,7 возникающих при работе ВФМ, таких как поляризационная модуляция и модуляция интенсивности (МИ). Среди опубликованных ранее методов снижения уровня ППМ в цельно-волоконных фазовых модуляторах преобладают компенсационные методы. В нескольких работах для компенсации ППМ было предложено использовать два последовательно- расположенных одинаковых модулятора с конверсией поляризационных мод между ними. Для полной компенсации ППМ необходимо как равенство задержек (амплитуд модуляции), так и разворот азимута осей анизотропии точно на 90. Для массового применения этот метод неприемлем, так как приходится уравнивать много параметров, да и стабильность компенсации невысока. Неприменим этот метод и к; резонансным модуляторам, так как именно на; резонансе наиболее проявляется различие двух используемых резонаторов.
В ВФМ на изотропном волокне мы предложили более простой способ уменьшения ДЛП - укладывать волокно при намотке в V-образную канавку с таким углом при вершине, чтобы поперечные напряжения в области сердцевины преобразовались в изотропное сжатие, при котором ДЛП равно нулю. Сделанный нами расчёт показал, что- оптимальный угол не зависит от радиуса намотки и силы натяжения и равен для кварцевого волокна примерно 94 . Экспериментально эффект был проверен на нескольких одинаковых модуляторах с разными углами V-канавки. Приведённые в первой таблице результаты подтверждают эффект снижения уровня ППМ по мере приближения угла при вершине V-канавки к оптимальному.
Во второй таблице приведены данные по НЧ-модуляторам, из которых видно, что уровень МИ на два-три порядка ниже уровня ППМ.
В случае применения в модуляторах анизотропных волокон внутреннее ДЛП и его изменение при фазовой модуляции гораздо больше ДЛП, вызванного внешними причинами. Мы предложили и экспериментально исследовали компенсационную схему намоточного ВФМ; на одном цилиндрическом резонаторе с двумя анизотропными волоконными обмотками и конвертором поляризационных мод между ними.
Конвертором мод служила сварка торцов двух анизотропных волокон с разворотом осей анизотропии на 90 друг относительно друга. Волоконные моды в конверторе меняются местами, вследствие чего ППМ в одной обмотке компенсируется аналогичной противофазной ППМ в другой обмотке и в итоге общий уровень ППМ снижается. Нам удалось снизить его примерно в 10 раз, что доказывает эффективность данного метода.
Амплитуды движений точек при радиальных колебаниях
Для- модуляции фазы оптической волны непосредственно в волоконном световоде используются различные физические эффекты или их комбинации. Эффекты Керра или Фарадея не используются из-за малости постоянных Керра и Верде. Более часто применяется упругооптический эффект. Известны "аксиальные" конструкции - со сжатием световода, помещённого по оси узкого и длинного пьезоцилиндра, от которого волны давления передаются к световоду по жидкости или полимеру [10,11]. Вследствие упругооптического эффекта модулируется показатель преломления, а, следовательно, и фаза. Эффективность фазовой модуляции в данном случае мала: 0,06 рад/(В см) [11]. Помещать несколько прямолинейных участков волокна для увеличения эффективности нежелательно, так как:часть их будет смещена относительно оси, на них будет действовать неизотропное давление и возникнет поляризационная модуляция.
Изучаются варианты "аксиальных" модуляторов в виде световода с напылённым пъезоэлектриком типа ZnO [12] или нанесённым электретным полимером типа PVDF/PVF2 [13]. Преимуществами таких "волокон-модуляторов" считаются-возможность набора эффективности за счёт большой его длины и широкий участок пологой АЧХ до первого резонанса. Однако полимерным материалам присуще изменение свойств, вызванное старением, и большое рассогласование акустических импедансов с материалом световода. Кристаллические покрытия типа ZnO лучше согласованы акустически, но с ними трудно использовать "эффект большой длины": при сматывании световода в бухточку в покрытии появляются несимметричные относительно оси напряжения и склонность к растрескиванию. Нерешенными до сих пор проблемами остаются равномерность аксиальной поляризации нанесённого пьезопокрытия, очень большая ёмкость полученного пьезопреобразователя, затрудняющая его возбуждение, и распространяющиеся вдоль модулятора звуковые волны, искажающие его АЧХ. Но, пожалуй, главной трудностью является проблема линейности. Для линейности модуляции оболочка должна создавать некоторое постоянное обжатие, на фоне которого будет действовать переменное обжатие, приводящее к фазовой модуляции излучения. Иными словами, оболочка должна быть постоянно растянута /так называемая "предварительно напряжённая конструкция"/. Достижимо ли это условие для применяемых пьезоматериалон? Пьезополимеры, как и любые полимеры, вообще не способны долго поддерживать постоянное напряжение, они "текут". Пьезоэлектрики типа ZnO представляют в "аксиальном" исполнении поликристалл, имеющий5 весьма низкую прочность на разрыв. В итоге - малый динамический диапазон и ненадёжность конструкции. Выходом могла бы стать внешняя сжимающая оболочка из металла или стекла, но из-за больших технических сложностей (как сохранить невредимой пьезооболочку?) не было сообщено ни об одной подобной попытке..
Другой тип модуляторов, в которых присутствует упругооптический эффект, основан на переменном продольном растяжении волокна. Простым и до сих пор часто = используемым является; модулятор на основе пьезоцилиндра или кольца, на боковую поверхность которого намотан с натяжением волоконный: световод [14, 15, 16]7 (мы будем называть такие модуляторы намоточными). Волокно прикрепляется заклейкой на концах или по всей его длине. При радиальных колебаниях модулятора изменяется длина намотанной части волокна / = NnD, где D - диаметр модулятора,, а N число намотанных витков. Полный оптический путь (фаза) световой волны (р=Ы изменяется при этом на величину 2 А р А{к1) = кт-А1+коІАп = ктЩІ - —[(1 - фп - ори]} = 0,78 ктЛІ, (1) где к0 - — - волновое число в вакууме, М - изменение длины намотанной части световода, An - изменение показателя преломления вследствие упругооптического эффекта, г коэффициент Пуассона, р\\ - упругооптические константы (i, j = 1,2) . Намотка на цилиндр или кольцо позволяет использовать для модуляции большую длину световода: метры и даже десятки метров, типичный радиус изгиба волокна 1,5 т 3 см не приводит к поляризационной селективности и заметному увеличению потерь. Достоинствами являются простота крепления волокна на участках любой длины и стабильность натяжения. Проблема линейности решается благодаря тому, что текучесть кварцевого стекла - основы световода - ничтожно мала, если не отсутствует вообще (на кривой напряжение - деформация отсутствует участок. пластичности). Поэтому предварительно растянутое волокно будет сохранять состояние растяжения І многие годы, что гарантирует постоянство линейности и динамического диапазона модулятора. Растяжение волокна при этом будет меняться по переменному закону со средним значением, равным статическому растяжению при намотке. Колебания возбуждаются путем подачи переменного напряжения на пьезоэлемент, который либо является частью составного резонатора, либо сам является резонатором (пьезоцилиндры, пьезокольца). Чаще всего используется гармоническая модуляция, поскольку любая негармоническая (например, пилообразная) будет искажена собственными резонансными пиками резонатора. Рабочие частоты модуляции для большинства типов датчиков находятся в диапазоне от десятков до сотен килогерц. Модуляторы на основе чисто пьезокерамических резонаторов обладают относительно невысокой термостабильностью, определяемой свойствами пьезокерамики.. Фиксированные размеры пьезоэлементов затрудняют настройку резонансной частоты ВФМ на частоту, собственную для данного волоконного контура. Намотка волокна на гладкую цилиндрическую поверхность приводит к появлению паразитной поляризационной модуляции, которая смещает "нуль" датчика и увеличивает его дрейф. Устранить или существенно уменьшить эти недостатки позволяет использование составных резонаторов, состоящих из пьезовозбудителя и пассивной части резонатора, изготавливаемой обычно из металла.
Увеличение эффективности низкочастотных модуляторов, получение сверхбольших девиаций фазы
В составном резонаторе пьезовозбудитель может быть по-разному связан с металлической основой. Первые приемлемые результаты у нас были получены при вставлении прямоугольной пьезопластинки враспор в вырез в металлическом корпусе (см. рис 9).;
Из-за низкой симметрии возбуждалось множество типов колебаний, что позволяло выбрать резонансный пик в любой необходимой области частот. Богатство спектра ФМ было обусловлено сложной формой механического резонатора, которая-делала невозможным предварительный расчёт резонансных частот и эффективностей; модуляции. Особенно это было характерно в используемой тогда области частот 20 кГц, в которой преобладают изгибные деформации. Из-за близости резонансных пиков имели место различные нежелательные явления, и для улучшения моночастотности мы перешли к резонаторам более простой геометрии — кольцам.
Для того, чтобы иметь резонансную частоту фазового модулятора в районе 30 -300 кГц, мы использовали конструкции с распределённым резонатором в виде кольца, колеблющегося на модах радиальных колебаний YQ или Y\. Внешний диаметр кольца ext обычно выбирается в пределах от 30 до 70 мм, чтобы свободно уместиться внутри волоконного контура, поскольку во многих схемах ДУС модулятор (или два) по конструктивным соображениям располагают именно внутри него. Нижний предел ext 30 мм определяется увеличением ГШМ и МИ выше допустимого уровня при крутом изгибе волокна, а также общих потерь. Диаметр центрального отверстия D[nt может быть близок к нулю (сплошной диск с "проколом"), либо иметь малое отверстие для крепления, либо принимать различные значения в зависимости от требуемой резонансной частоты.
Самой простой является конструкция типа "кольцо на кольце" - с наклейкой или напайкой пьезокольца на металлическое с одной стороны. Она проста в изготовлении и достаточно моночастотна. Пробный модулятор из стального кольца размерами 0 32,5 х 0 5,5 х 2 мм с наклеенным пьезокольцом 0 20 х 0 4 х 1,5 мм проявил на пике резонанса хорошую эффективность фазовой модуляции (0,75 рад/(В -см)).
Однако модуляторы типа "пьезоэлемент на колеблющейся части (в: данном L случае на кольце из металла) имеют принципиальный недостаток: несимметричное положение пьезовозбудителя относительно металла ведёт к возникновению колебаний типа "прогиб - выгиб мембраны", при которых центральная часть является пучностью. При креплении в центре это ведёт к возбуждению толчков в крепящей ножке и их влиянию на другие элементы устройства. Возможно и обратное: внешние толчки действуют через крепление на модулятор и вносят сбои в его работу. Наклейка двух пьезоколец с обеих сторон была также отклонена, т.к. они всегда немного отличаются, полной симметризации достичь не удаётся и вследствие этого вышеописанный эффект остаётся. Кроме того, сдвиг фаз между электрическим напряжением и вызываемым ими механическим воздействием для двух возбудителей различен, что усложняет картину резонанса.
Есть и общий недостаток, присущий всем конструкциям типа "пьезоэлемент на. колеблющейся части (резонаторе или световоде)": в них отсутствует предварительное-сжатие пьезоэлемента. В те интервалы времени, когда пьезоэлемент сжимается, в связующем слое создается отрицательное давление, что может привести к неконтролируемому расслаиванию и, как следствие, к непредсказуемому падению эффективности всего модулятора..
Эти недостатки отсутствуют в конструкциях, имеющих предварительное сжатие пьезоэлемента. Таковы рассматриваемые далее конструкции - "кольцо в кольце" и "сэндвич". Их форма и типы колебаний ближе всего к форме и типам колебаний кольца.
Кольцом считается цилиндр, высота которого h существенно меньше (в 5 и более раз) разницы внешнего (rext) и внутреннего (rjnt) радиусов. Его собственные объёмные колебания с хорошей точностью распределяются на толщинные :) (вдоль высоты К) и чисто радиальные колебания. Нами был проведён разносторонний анализ колебательных характеристик колец.
Анализ резонансов простого кольца важен по нескольким причинам. Во-первых, параметры резонансов весьма близки к расчётным, когда масса возбуждающего элемента мала по сравнению с массой основного резонансного объёма. Во-вторых, в случаях соизмеримости масс возбудителя и пассивной части резонатора (составные резонаторы) анализ выявляет закономерности и даёт верхние оценки резонансных частот. Чисто радиальные колебания в случае изотропного материала кольца и произвольного диаметра внутреннего отверстия были рассмотрены в [19]. Мы более подробно исследовали параметры колебаний с помощью ЭВМ, написав и отладив около тридцати программ. Результаты приведены далее.
Анализ колебаний кольцевого резонатора базируется на анализе колебаний кольца из однородного изотропного материала. Смещения и(г) произвольной точки изотропного тонкого кольца ) при стационарных чисто радиальных колебаниях были рассмотрены в [19] и описываются уравнением в цилиндрических координатах:
Снижение уровня паразитньтх типов модуляций при укладке волокна в V-канавку
Довольно громоздкое уравнение (8), выведенное нами, содержит бесселевы функции нецелых порядков VHV-1. Величины VHV-1 согласно (6) зависят от пьезоконстант, различных для каждой партии пьезоэлементов. При необходимости оно может быть решено аналогичным образом, но для достижения приемлемой точности теоретические расчёты нужно проводить на основе непосредственно измеренных пьезоконстант.
) Интересно отметить, что на поверхности контакта безразмерный параметр д: принимает разные значения для пьезокерамики и металла, поскольку скорости звука в них различны.
На практике сначала считают всё кольцо металлическим и пользуются уравнением (2.2-11). Результаты оказываются тем ближе к точному решению на основе уравнения (8), чем; меньшую долю составляет пьезочасть от объема резонатора. Резонансная частота - изготовленного по этим расчётам модулятора оказывается заниженной, так как скорость звука в пьезокерамике ниже, чем в металлах. Затем внешний диаметр понемногу уменьшают (стачивают), подводя резонанс в требуемый интервал частот: На последнем этапе, если волокно изотропное, нарезается канавка (см. далее гл. 4).
Главной задачей при; изготовлении является\ обеспечение хорошего акустического контакта между металлом и пьезокерамикой. Вклейка одного кольца в другое дала плохие результаты. Гораздо лучшие результаты были получены методом термокомпрессии с заполнением зазоров акустическим проводником. Металлическое кольцо нагревалось и затем быстро насаживалось на пъезокольцо, плотно его охватывая при остывании. Поскольку температура Кюри используемой пьезокерамики была порядка 290 - 320 С, то металлическое кольцо нагревалось не выше 250 С, чтобы не деполяризовать пьезоэлемент. При этом зазоры и натяги весьма малы, порядка 0,01 -г 0,02 мм и требуют повышенной точности изготовления сопрягаемых диаметров. Стандартные пьезокольца шлифуются при заводском изготовлении и отклонения от окружности для использованных пьезоколец диаметром 10, 12 и 18 мм по нашим измерениям не превышали ±0,01 - 0,02 мм. Это требовало точности изготовления внутренних отверстий металлических заготовок не меньше, чем по восьмому классу.
После посадки в ещё горячем модуляторе зазоры заполнялись жидким салолом (Тпд = 42 С) или стильбеном (Тлд =124 С),.которые после кристаллизации дают надёжный акустический контакт с малыми потерями. Предпочтительнее стильбен, поскольку акустический контакт на его основе более долговечен..
В качестве примера приведём характеристики одного из первых модуляторов типа "кольцо в кольце", представляющего собой стальное кольцо 032,5 х 010 х 5 мм, внутрь которого вставлено пъезокольцо 010 х 04 х 5 мм [17]. Было намотано 16 витков волокна. Максимум фазовой модуляции при колебании вида TQ пришёлся на; 91,25 кГц, удельная эффективность на 1 см длины световода КФМЛ составила 0,15 рад/(см -В).
Приближение экспериментальных значений лоренцевым контуром (кривая а) дало значение добротности Q, равное 413. Пик активной потребляемой мощности (кривая с) практически совпадает с пиком фазовой модуляции (кривая а).
В области резонансного пика разность фаз 0и [ между током и напряжением, питающими модулятор, сильно падает, изменяясь в итоге больше, чем на 90 , затем медленно возвращается к прежнему значению. Объясняется это тем, что импеданс модулятора переходит из ёмкостного в активный и даже в индуктивный, возвращаясь с увеличением частоты к ёмкостному. "Провал" фазочастотной характеристики характерен для всех модуляторов, только с уменьшением добротности резонанса уменьшается его глубина.
Более подробно фазовые соотношения были изучены для простого модулятора в виде пьезодиска с намотанным на него световодом (рис. 18). Видно, что что разность фаз между сигналом оптической фазовой модуляции и током через модулятор никаких особенностей на резонансе не имеет. Напротив, разность фаз между фазовой модуляцией и напряжением сильно изменяется - совершенно аналогично изменению разности фаз между напряжением и током. Поэтому в схемах с синхронным детектированием выходного сигнала предпочтительно использовать в качестве опорного ток через модулятор. Это лучше, чем кварцевая стабилизация частоты питающего напряжения Ифм, которая не может в данном случае помочь, так как изменяются свойства самого ФМ.
Обычно в качестве опорного сигнала для синхронного детектирования используют напряжение на фазовом модуляторе, что может явиться источником специфических погрешностей. Погрешности могут быть вызваны не столько уходом резонансной частоты, сколько сдвигом фазовой "ступеньки" 6\j ФМ при довольно малом уходе частоты, поскольку синхронное детектирование имеет место на участке с наибольшей крутизной ви ФМ.
Другие модуляторы типа "кольцо в кольце" проявили гораздо большую эффективность - до 1,5 рад / (см-В). Связано это, по-видимому, с более качественным акустическим контактом.
Сравнить частоты и эффективности фазовой модуляции для трех низших радиальных колебаний модуляторов типа "кольцо в кольце" можно по параметрам четырёх одинаковых модуляторов,.изготовленных из латуни, с размерами 0 48 х 0 18,5 х 4,4 мм, внутрь которых вставлено пьезокольцо 0 18,5 х 0 16 х 5,3 мм. Соответствующие данные приведены в таблице 2.