Волоконно-оптический индикатор внешнего воздействия

 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к созданию волоконно-оптичекских датчиков различных физических величин. Задачей изобретения является уменьшение потерь мощности излучения в оптическом тракте, упрощение конструкции индикатора и повышение его надежности. Это достигается тем, что излучение широкополостного источника 1 вводится в волоконный световод (ВС) 2 с двулучепреломлением, на который осуществляется два воздействия: первое - внешнее измеряемое, второе - сканирующее калиброванное. При геометрическом равенстве путей от первого воздействия до второго и от второго до выходного торца ВС на выходе ВС наблюдается межмодовая интерференция. На выходе ВС установлен поляризатор 3 оптического излучения с осью поляризации, расположенной под углом 45° к осям двулучепреломления ВС, который преобразуют изменения интерференционной картины в изменения интенсивности на входе фотоприемника 4, электрический сигнал с которого регистрируется блоком 5 обработки. На ВС 2 установлен сканирующий деформатор 6, управляемый блоком 7 управления, сигналы с которого, так же как и с блока 5 обработки, подаются в блок 8 отображения информации. При этом малое число оптических элементов в оптическом тракте уменьшает потери оптической мощности, упрощает конструкцию и, как следствие, повышает надежность работы индикатора. 4 ил.

Изобретение относится к оптике, в частности к созданию волоконно-оптических датчиков различных физических величин.

Известен волоконно-оптический индикатор (ВОИ) внешнего воздействия, позволяющий регистрировать место воздействия на многомодовый волоконный световод (ВС) и содержащий многомодовый ВС, два источника когерентного излучения, два фотоприемника, два оптических ответителя, спаренные торцы которых оптически связаны с соответствующими торцами ВС, первые неспаренные торцы оптически связаны с источниками излучения, а вторые неспаренные торцы оптически связаны с фотоприемниками, две диафрагмы, расположенные между каждым фотоприемником и соответствующим ему торцом ответвителя, два блока обработки, подключенные соответственно к каждому фотоприемнику, коррелятор, к которому подключены блоки обработки и вычислительный блок [1] Регистрация места воздействия основана на измерении временного интервала между изменением спекл-картин на противоположных торцах ВС при вводе в него когерентного излучения с противоположных сторон. Однако такой ВОИ внешнего воздействия из-за наличия постоянного дрейфа спекл-картины обладает низкой чувствительностью. Нелинейная характеристика отклика системы не позволяет проводить измерения величины внешнего воздействия. Кроме того, невозможно одновременно регистрировать несколько внешних воздействий.

Известен волоконно-оптический интерферометр, содержащий линейно поляризованный широкополосный источник излучения, элементы коллимации, поляризационный разделитель излучения, блок оптической задержки, поляризационный объединитель излучения, одномодовый ВС с двулучепреломлением (с сохранением поляризации), поляризатор, фотоприемник, блоки обработки и отображения информации [2] Эта конструкция представляет собой модификацию классического интерферометра Маха-Цендера и позволяет регистрировать величину и место внешнего воздействия на волокно. Свет от широкополосного линейно поляризованного источника излучения разделяется на две ортогональные поляризации излучения, одна из которых может быть задержана на регулируемую оптическую разность хода относительно другой поляризации, после чего каждая возбуждает одну поляризационную моду одномодового ВС с сохранением поляризации. В месте воздействия на волокно происходит взаимодействие мод, в результате чего на выходе ВС при равенстве полных оптических путей для обеих поляризаций до места воздействия на волокно, наблюдается интерференция в каждой из поляризаций. Поляризатор, установленный на выходе ВС, преобразует изменения интерференционной картины в изменения интенсивности на входе фотоприемника, выход которого соединен с блоком обработки, связанным с блоком отображения информации.

Однако наличие блока оптической задержки, элементов разделения и объединения двух ортогональных поляризаций, а также элементов коллимации излучения обуславливает сложность конструкции и потери оптической мощности при вводе излучения в ВС.

Задачей предлагаемого изобретения является уменьшение потерь мощности излучения в оптическом тракте, упрощение конструкции индикатора внешнего воздействия на ВС и повышение его надежности.

Для этого в волоконно-оптический индикатор внешнего воздействия, содержащий оптически связанные источник излучения, одномодовый волоконный световод с двулучепреломлением, поляризатор оптического излучения, фотоприемник, блок обработки и блок отображения информации, при этом выход фотоприемника электрически связан с входом блока обработки, выход которого подключен к входу блока отображения информации, введены сканирующий деформатор и блок управления, а блок отображения информации выполнен двухвходовым, его второй вход электрически соединен с первым выходом блока управления, второй выход которого электрически соединен с входом сканирующего деформатора, сопряженного с участком волоконного световода, при этом положение сканирующего деформатора выбрано таким образом, что участок волоконного световода, с которым он сопряжен, не пересекается с участком, на который осуществляется внешнее воздействие, и начало и конец одного из этих участков расположены на расстояниях, равных половине расстояний от выходного торца волоконного световода до начала и конца другого участка соответственно, а поляризатор оптического излучения установлен таким образом, что его ось поляризации расположена под углом 45^о к осям двулучепреломления волоконного световода.

В предлагаемом ВТИ осуществляется два воздействия на ВС: первое внешнее измеряемое, второе сканирующее калиброванное, что позволяет получить информацию на выходе ВС между двумя лучами, возникающими при первом воздействии на ВС в каждой из мод ВС и переходящими из моды в моду при втором воздействии, при геометрическом равенстве путей от первого воздействия до второго и от второго до выходного торца ВС и при установлении поляризатора на выходе ВС с осью поляризации, расположенной под углом 45^о к осям двулучепреломления ВС. В отличие от прототипа, где наблюдается интерференция между лучом, введенным в одной из мод ВС, перешедшим при внешнем воздействии в другую моду, и где возможно произвольное расположение оси поляризации поляризатора, установленного на выходе ВС, в предлагаемом индикаторе неполяризованное излучение вводится непосредственно в ВС, что позволяет значительно увеличить эффективность ввода оптической мощности в ВС и отказаться от использования элементов поляризационного разделения и объединения, коллимации излучения и блока регулируемой оптической задержки, упростив таким образом конструкцию и повысив надежность индикатора.

На фиг. 1 приведена структурная схема предлагаемого индикатора внешнего воздействия; на фиг. 2 и 3 структурные схемы блоков обработки и управления; на фиг. 4 временные диаграммы, иллюстрирующие работу предлагаемого индикатора, при этом диаграмма 4 г приведена для случая использования четырех точек воздействия на волокно деформатором.

Предлагаемый индикатор содержит широкополосный источник 7 излучения, соединенный с одномодовым ВС 2 с двулучепреломлением (с сохранением поляризации), выход которого соединен через поляризатор 3 оптического излучения, ось поляризации которого расположена под углом 45^о к осям двулучепреломления ВС 2, с входом фотоприемника 4, выход которого соединен с входом блока 5 обработки. Сканирующий деформатор 6 закреплен на части ВС 2 и управляется блоком 7 управления. Блок 5 обработки и блок 7 управления соединены с блоком 8 отображения информации.

Устройство работает следующим образом.

Излучение от широкополосного источника 1 света возбуждает две ортогональные поляризационные моды в ВС 2 с двулучепреломлением, распространяющиеся с различными постоянными распространения β_х и β_yсоответственно. В месте внешнего воздействия на ВС происходит взаимодействие мод, при котором часть энергии из каждой оптической моды переходит в другую с коэффициентом перехода h₁ и далее распространяется в ВС 2 в соответствующей моде на расстояние L₁ до места второго калиброванного воздействия сканирующим деформатором 6 на волокно, где также происходит взаимодействие мод с переходом части энергии из каждой моды в другую моду с коэффициентом перехода h₂. Далее излучение распространяется на расстояние L₂ до выходного конца ВС 2. При этом на выходном конце ВС 2 образуется интерференционный сигнал между проекциями двух ортогональных мод ВС, возможность наблюдать который обеспечивает поляризатор 3 с осью поляризации, расположенной под углом 45^о к осям двулучепреломления ВС 2. Нормированная амплитуда интерференционного сигнала для источника излучения с гауссовой формой линии излучения S=h₂·e, где Δ f ширина спектра источника излучения; =-= - разность производных постоянных распространения двух мод ВС при f f_o- центральной частоте линии излучения, имеющая физический смысл разности групповых скоростей распространения излучения в ВС.

Оптический интерферометрический сигнал преобразуется в электрический фотоприемником 4 и подается в блок 5 обработки. Максимум интерференционного сигнала достигается при L₂ L₁.

Таким образом, разделяя ВС 2 на две части, одна из которых подвергается внешнему воздействию, а на другую оказывается калиброванное сканирующее воздействие деформатором 6, можно, зная величины L₂ и h₂, измеряя максимум интерферометрического сигнала S_o, определить место внешнего воздействия от выходного конца ВС L2L₂ и величину внешнего воздействия, рассчитывая коэффициент перехода энергии из моды в моду по формуле h₁=0,51-.

В качестве примеров выполнения блока 5 обработки и блока 7 управления могут быть использованы схемы, представленные на фиг. 2 и 3.

Электрический сигнал (фиг. 2) с выхода фотоприемника 4 (фиг. 4а) поступает на вход блока 5 обработки, содержащего активный полосовой фильтр и выпрямитель, сигнал с которого (фиг. 4б) подается на вход Y блока 8 отображения информации, в качестве которого, например, может быть использован планшетный графопостроитель ПДП4-002. Блок 7 управления (фиг. 3) содержит импульсный генератор, сигнал с которого (фиг. 4в) подается на двоичный счетчик, а затем на регистр сдвига, с которого сигналы (фиг. 4г) подаются каждый на свой усилитель напряжения. Сигналы с выходов усилителей напряжения, являющихся выходами блока управления, подаются на сканирующий деформатор 6, содержащий, например, набор пьезокорректоров, к которым прижат ВС 2. Сигнал с двоичного счетчика подается также на цифроаналоговый преобразователь, сигнал с которого (фиг. 4д) подается на вход Х блока 8 отображения информации.

Вместо планшетного графопостроителя можно подавать преобразованные в цифровую форму сигналы на микропроцессор и проводить более сложную обработку, что позволяет расширить функциональные возможности индикатора.

Формула изобретения

ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ИНДИКАТОР ВНЕШНЕГО ВОЗДЕЙСТВИЯ, содержащий оптически связанные источник излучения, одномодовый волоконный световод с двулучепреломлением, поляризатор оптического излучения и фотоприемник, а также блок обработки и блок отображения информации, при этом выход фотоприемника электрически связан с входом блока обработки, выход которого подключен к входу блока отображения информации, отличающийся тем, что введены сканирующий деформатор и блок управления, а блок отображения информации выполнен двухвходовым, при этом его второй вход электрически соединен с первым выходом блока управления, второй выход которого электрически соединен с входом сканирующего деформатора, сопряженного с участком волоконного световода, причем положение сканирующего деформатора выбрано так, что участок волоконного световода, с которым он сопряжен, не пересекается с участком волоконного световода, причем положение сканирующего деформатора выбрано так, что участок волоконного световода, с которым он сопряжен, не пересекается с участком, на который осуществляется внешнее воздействие, и начало и конец одного из этих участков расположены на расстояниях, равных половине расстояний от выходного торца волоконного световода до начала и конца другого участка соответственно, а поляризатор оптического излучения установлен так, что его ось поляризации расположена под углом 45^o к осям двулучепреломления волоконного световода.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4