Волоконно-оптический датчик виброакустических сигналов на внутрисветоводном эффекте доплера (варианты)



Волоконно-оптический датчик виброакустических сигналов на внутрисветоводном эффекте доплера (варианты)
Волоконно-оптический датчик виброакустических сигналов на внутрисветоводном эффекте доплера (варианты)
Волоконно-оптический датчик виброакустических сигналов на внутрисветоводном эффекте доплера (варианты)

 


Владельцы патента RU 2633020:

Общество с ограниченной ответственностью "Сенсорное приборостроение "Интел-Системы" (RU)

Волоконно-оптический датчик виброакустических сигналов на внутрисветоводном эффекте Доплера содержит источник излучения, чувствительный элемент и разветвитель, первую и вторую дифракционные решетки Брэгга и фотоприемник. Источник излучения имеет ширину спектра, превышающую ширину спектра отражения первой решетки Брэгга. По первому варианту первая и вторая решетки Брэгга выполнены со спектральным сдвигом резонансных частот друг относительно друга. По второму варианту первая и вторая решетки Брэгга имеют идентичные параметры по ширине полосы отражения и по резонансной частоте отражения. Причём одна из решеток Брэгга выполнена с возможностью изменения резонансной частоты отражения. Технический результат - упрощение конструкции, повышение температурной стабильности датчика, увеличение отношения сигнал/шум. 2 н.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретения относятся к измерительной технике, преимущественно к приборам, выполняющим измерения с помощью оптических средств, в частности к волоконно-оптическим датчикам (ВОД), основанным на принципе регистрации сдвига частоты оптического излучения, обусловленного эффектом Доплера в волоконном световоде (ВС) при его динамической деформации. Указанные датчики могут быть использованы в качестве датчиков акустического давления, датчиков акустической эмиссии, датчиков для систем вибрационного контроля и др.

Из существующего уровня техники известно, что для регистрации доплеровского сдвига частоты в ВС используются схемы волоконно-оптических интерферометров, в том числе схемы интерферометров с гетеродинной конфигурацией как наиболее устойчивые к внешним воздействиям за счет того, что их выходной сигнал не зависит от начальной разности фаз интерферирующих лучей.

Известен ВОД на основе оптической схемы двухплечевого интерферометра с гетеродинным детектированием доплеровских сдвигов оптической частоты (патент ЕР 1400792 А1, МПК G01H 9/00, публ. 24.03.2004 г.), включающий высококогерентный лазер, два оптических разветвителя, приемное плечо интерферометра, состоящее из чувствительного элемент (ЧЭ) в виде изогнутой части волоконного световода, и детекторное плечо, состоящее из акустооптического модулятора (сдвигателя оптической частоты на постоянную величину). Датчик регистрирует доплеровский сдвиг частоты (fd) в ЧЭ при его динамической деформации виброакустическим сигналом. Для выделения частоты биений сигналов приемного и гетеродинного плеч интерферометра в ВОД используется фотоприемник и электронный частотный детектор.

К недостаткам известного технического решения относятся:

нестабильность уровня (замирание) выходного сигнала из-за изменений состояния поляризации интерферирующих волн (поляризационный фединг) в световодах при воздействии на последние внешних факторов (температура, изгибы, гидростатическое давление и т.д.);

повышенный уровень фазовых шумов, связанных с нестабильностью частоты излучения лазера, который проявляется при неравенстве длин плеч, образующих интерферометр, выравнивание которых с высокой степенью точности, представляет собой достаточно сложную технологическую задачу;

необходимость использования в конструкции датчика сложного дорогостоящего акустооптического модулятора, в состав которого входят дискретные оптические и электронные элементы;

повышенный уровень перекрестных шумов, возникающих за счет переотражений между элементами датчика, как следствие высокой когерентности источника излучения, например, на дискретных элементах акустооптического модулятора, а также в самих ВС за счет обратного (релеевского) рассеяния или отражений (френелевских) в местах их соединения, например в местах их сварки;

необходимость использования в конструкции датчика дорогостоящих элементов, таких как акустооптический модулятор и высококогерентный источник излучения;

необходимость применения электронного частотного детектора.

Известно техническое решение, описанное в статье (А.К. Батанов, Г.Я Буймистрюк, В.И. Кириллов, В.Н. Николаев «Методы и средства обработки широкополосного сигнала волоконно-оптического акустического датчика на внутрисветоводном эффекте Доплера», Труды XII Всероссийской конференции «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики» 2014 г., с. 456-457, рис. 4), где предложено использовать волоконно-оптическую решетку Брэгга, которая обладает неравномерной частотной характеристикой узкополосного фильтра с коэффициентом отражения близким к единице и шириной спектрального интервала отражения менее 0,1 нм, при этом склоны частотной характеристики имеют очень высокую крутизну - более 109 м-1. Копия статьи прилагается.

В данном техническом решении использованы оптически соединенные между собой высококогерентный источник света (ЛД), чувствительный элемент (ЧЭ), разветвитель, дифракционная решетка Брэгга и фотоприемник (ФД).

Это техническое решение выбрано в качестве наиболее близкого аналога (прототипа) для первого и второго заявленных вариантов ВОД.

Прототип имеет недостатки, главным из которых является то, что требуется точная привязка частоты источника оптического излучения и резонансной частоты отражения (пропускания) решетки Брэгга и их термостабилизация в условиях эксплуатации, что усложняет конструкцию и увеличивает стоимость ВОД.

Другим недостатком прототипа является необходимость использования высококогерентного лазера с узкой спектральной линией излучения, что также усложняет конструкцию и увеличивает стоимость ВОД.

Задачей, на решение которой направлены заявляемые варианты изобретений, является создание новой конструкции волоконно-оптического датчика виброакустических сигналов на внутрисветоводном эффекте Доплера (далее - ВОД), которая позволяет обеспечить:

упрощение конструкции ВОД,

повышение устойчивости работы ВОД в различных эксплуатационных условиях,

обеспечение максимального динамического диапазона принимаемых сигналов и, как следствие,

снижение стоимости ВОД.

Для решения поставленной задачи и достижения нового технического результата заявлена группа изобретений (два варианта), связанных между собой настолько, что они образуют единый изобретательский замысел.

Заявленные два варианта волоконно-оптического датчика виброакустических сигналов на внутрисветоводном эффекте Доплера позволяют устранить недостатки прототипа и обеспечить достижение нового технического результата, а именно: упростить конструкцию, повысить температурную стабильность ВОД, увеличить отношение сигнал/шум.

Указанный технический результат достигается за счет того, что:

по 1 варианту заявленный волоконно-оптический датчик виброакустических сигналов на внутрисветоводном эффекте Доплера включает оптически связанные источник оптического излучения, чувствительный элемент, оптический разветвитель, оптическую дифракционную решетку Брэгга и фотоприемник. Оптическая дифракционная решетка Брэгга соединена с одним из выходов оптического разветвителя. В отличие от прототипа датчик снабжен второй оптической дифракционной решеткой Брэгга. Источник оптического излучения выполнен низкокогерентным, ширина спектра которого превышает величину ширины спектра отражения первой решетки Брэгга, и последовательно соединен с оптическим разветвителем, чувствительным элементом, второй оптической дифракционной решеткой Брэгга и фотоприемником. При этом первая и вторая оптические дифракционные решетки Брэгга выполнены со спектральным сдвигом резонансных частот друг относительно друга;

по 2 варианту заявленный волоконно-оптический датчик виброакустических сигналов на внутрисветоводном эффекте Доплера включает оптически связанные источник оптического излучения, чувствительный элемент, оптический разветвитель, оптическую дифракционную решетку Брэгга и фотоприемник. Оптическая дифракционная решетка Брэгга соединена с одним из выходов оптического разветвителя. В отличие от прототипа датчик снабжен второй оптической дифракционной решеткой Брэгга. Источник оптического излучения выполнен низкокогерентным, ширина спектра которого превышает величину ширины спектра отражения первой решетки Брэгга, и последовательно соединен с оптическим разветвителем, чувствительным элементом, второй оптической дифракционной решеткой Брэгга и фотоприемником.

В отличие от первого варианта во втором варианте волоконно-оптического датчика первая и вторая оптические дифракционные решетки Брэгга выполнены с идентичными параметрами по ширине полосы отражения и по резонансной частоте отражения, при этом одна из решеток выполнена с возможностью изменения резонансной частоты отражения.

В процессе проведенных патентных исследований не выявлены другие технические решения построения волоконно-оптических датчиков виброакустических сигналов, в которых для регистрации сдвига оптического спектра, индуцированного эффектом Доплера, были бы использованы две оптические дифракционные решетки Брэгга и низкокогерентный источник излучения.

Существенность отличий предлагаемой конструкции ВОД (по первому и второму вариантам) от прототипа определяется следующим.

1. Выполнение источника оптического излучения низкокогерентным (широкополосным), в котором ширина спектра превышает величину ширины спектра отражения первой решетки Брэгга, позволяет исключить влияние температурной нестабильности частоты источника излучения на параметры ВОД, что обеспечивает его работоспособность в различных эксплуатационных условиях, повышает устойчивость работы датчика к внешним факторам (температура, изгибы, гидростатическое давление и др.), в том числе и в экстремальных условиях.

2. В заявленных конструкциях ВОД использованы две оптические дифракционные решетки Брэгга. При этом в первом варианте использованы решетки Брэгга, которые по ширине полосы отражения и по резонансной частоте отражения отличаются между собой. Во втором варианте используются решетки с идентичными параметрами, которые изготовлены по единому технологическому процессу, что обеспечивает изготовление ВОД в процессе производства с минимальными разбросами по чувствительности.

При этом в конструкции по первому варианту сдвиг по резонансной частоте отражения между решетками Брэгга может быть осуществлен в процессе изготовления или настройки ВОД.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображены:

на фиг. 1 - блок-схема ВОД по первому и второму вариантам;

на фиг. 2, фиг. 3, фиг. 4 и фиг. 5 - графики, поясняющие работу ВОД по первому и второму вариантам, где для простоты изложения в данном примере использованы оптические дифракционные решетки Брэгга со спектральными характеристиками в виде прямоугольников.

В том числе:

на фиг. 2 приведена спектральная характеристика оптического сигнала, отраженного первой оптической дифракционной решеткой Брэгга и поступающего на вторую решетку Брэгга, где R1(ν) - коэффициент отражения первой решетки Брэгга, ν - частота оптической несущей; δν1 - ширина спектра отражения; ν01 - центральная частота (резонансная частота) отраженного спектра;

на фиг. 3 приведена спектральная характеристика пропускания второй решетки Брэгга T2(ν), где T2(ν)=1-R2(ν), a R2(ν) - коэффициент отражения второй решетки Брэгга; ν02 - ее центральная (резонансная) частота отражения; Δν - смещение резонансной частоты второй решетки Брэгга относительно первой решетки, где Δν=Δν0±fd(t), Δν0 - величина постоянного сдвига между резонансными частотами отражения решеток, которые задаются конструктивно, a fd(t) - сдвиг частоты, определяемый доплеровским эффектом;

на фиг. 4 приведена функциональная зависимость произведения R1(ν)*T2(ν) от величины частотного промежутка Δν=ν0201. Из фиг. 4 следует, что каждому значению Δν соответствует свое произведение R1(ν)*T2(ν) и своя площадь под графиком; изменения Δν за счет fd(t) приводят к изменениям площади;

на фиг. 5 приведен вид корреляционной функции ψ(Δν), характеризующей степень связи между спектром пропускания второй решетки Брэгга и спектром поступившего на нее сигнала и которая определяется выражением:

ψ(Δν)=∫R1(ν)T2(ν)dν.

Приведенные позиции на чертежах (фиг. 1-5) справедливы для первого и второго вариантов ВОД. На чертежах обозначены: 1 - низкокогерентный источник оптического излучения; 2 - оптический разветвитель; 3 - первая оптическая дифракционная решетка Брэгга; 4 - вторая оптическая дифракционная решетка Брэгга со смещенным резонансом относительно первой оптической дифракционной решетки Брэгга; 5 - отрезок ВС, подводящий излучение к чувствительному элементу; 6 - чувствительный элемент; 7 - фотоприемник, 8 - спектр излучения низкокогерентного источника; 9 - спектр сигнала, поступающего на вторую решетку Брэгга; 10 - спектр пропускания второй оптической дифракционной решетки Брэгга.

В соответствии с фиг. 1 волоконно-оптический датчик виброакустических сигналов на внутрисветоводном эффекте Доплера (по первому и второму вариантам) состоит из низкокогерентного источника оптического излучения 1, оптического разветвителя 2, первой оптической дифракционной решетки Брэгга 3, второй оптической дифракционной решетки Брэгга 4 со смещенным резонансом относительно первой оптической дифракционной решетки Брэгга 3 длиной волны отражения, отрезка ВС 5, подводящего излучение к чувствительному элементу 6. К выходу второй оптической дифракционной решетки Брэгга 4 подключен фотоприемник 7.

В качестве низкокогерентного источника оптического излучения 1 может быть использован суперлюминесцентный диод, либо суперлюминесцентный волоконный излучатель, либо другой излучатель, ширина спектра излучения которого превышает ширину спектра отражения первой оптической дифракционной решетки Брэгга 3.

В качестве оптического разветвителя 2 может использоваться циркулятор как устройство, позволяющее, с одной стороны, осуществить оптическую развязку между излучателем и другими оптическими элементами схемы датчика, а с другой, - осуществлять деление оптического излучения в заданном соотношении.

Оптические дифракционные решетки Брэгга 3 и 4 могут быть волоконно-оптическими, интегрально-оптическими или акустооптическими как с одинаковыми, так и отличающимися между собой спектральными параметрами.

Для обеспечения работы ВОД по первому варианту в области максимальной чувствительности и обеспечения максимального динамического диапазона принимаемых сигналов резонансные частоты отражения решеток Брэгга 3 и 4 должны быть смещены относительно друг друга на некоторую величину Δν0, которая зависит от ширины спектров используемых решеток.

При использовании в датчике по второму варианту решеток Брэгга с идентичными параметрами статическое смещение резонансных частот решеток относительно друг друга может быть достигнуто путем изменения шага между отражающими слоями за счет их продольной деформации. Например, в случае использования волоконно-оптических решеток эту деформацию можно осуществить с помощью пьезокерамического актюатора или путем изгиба балки, на которую наклеена решетка. В случае использования оптических решеток Брэгга в интегрально-оптическом исполнении длиной волны отражения можно управлять с помощью электрического напряжения, подаваемого на внешние электроды.

Работает устройство по первому и второму вариантам следующим образом.

Оптическое излучение от широкополосного источника оптического излучения 1, ширина спектра излучения которого, как показано на фиг. 2-5, превышает ширину спектра отражения первой оптической дифракционной решетки Брэгга 3, поступает по волоконному световоду в оптический разветвитель 2, после прохождения которого оно поступает на первую решетку Брэгга 3. Оптическая дифракционная решетка Брэгга 3 отражает поступившее на нее излучение на своей резонансной частоте - ν01 и соответствующей ей ширине спектра отражения δν1 в обратном направлении к оптическому разветвителю 2. После прохождения разветвителя 2 излучение поступает по отрезку ВС 5 к чувствительному элементу 6.

При прохождении излучения по волоконному световоду, образующего чувствительный элемент 6, за счет его динамической деформации происходит смещение центральной частоты излучения ν01 на величину, пропорциональную доплеровскому сдвигу частоты излучения fд в чувствительном элементе 6. Это излучение далее поступает на вторую оптическую дифракционную решетку Брэгга 4, имеющую отличную от первой решетки Брэгга 3 резонансную частоту ν02. Разница между значениями резонансных частот решеток Брэгга 3 и 4, которая определяется как Δν=ν0201, определяет мощность оптического сигнала, прошедшего через вторую решетку Брэгга 4 и поступающего на фотоприемник 7, как показано на фиг. 4. Доля прошедшего излучения определяется как статическим сдвигом между резонансными частотами решеток Δν0, так и динамическим сдвигом частоты fд, определяемой доплеровским эффектом. Фотоприемник 7 преобразует изменения мощности оптического сигнала в электрический сигнал. Вид амплитудно-частотных характеристик определяется видом спектральных кривых решеток Брэгга. При этом наиболее оптимальным видом является прямоугольник, как показано на фиг. 5, так как в этом случае линейный участок достигает своего максимального значения.

Полная световая мощность излучения (Рфп), достигающая фотоприемника 7, определяется выражением:

Рфп=∫P(ν)R1(ν)T2(ν)dν.

В частном случае в волоконно-оптической реализации ВОД в качестве источника излучения может быть, например, использован суперлюминесцентный светодиод на длину волны излучения 1500 нм с шириной спектра, примерно равной 2 нм, и с выходной мощностью Р0=100 мВт. Все остальные элементы могут быть волоконно-оптическими. Выходная мощность суперлюминесцентного светодиода должна выбираться из расчета того, что первой оптической дифракционной решеткой Брэгга 3 в направлении чувствительного элемента 6 отражается только небольшая часть поступившего на нее излучения. Например, при использовании решетки Брэгга с шириной полосы отражения, равной ≤0,1 нм, мощность излучения, поступающего в чувствительный элемент 6, составит ~1 мВт.

1. Волоконно-оптический датчик виброакустических сигналов на внутрисветоводном эффекте Доплера, включающий оптически связанные источник оптического излучения, чувствительный элемент и оптический разветвитель, первую оптическую дифракционную решетку Брэгга, соединенную с одним из выходов оптического разветвителя, и фотоприемник, отличающийся тем, что датчик снабжен второй оптической дифракционной решеткой Брэгга, источник оптического излучения выполнен низкокогерентным, ширина спектра которого превышает величину ширины спектра отражения первой оптической дифракционной решетки Брэгга, и последовательно соединен с оптическим разветвителем, чувствительным элементом, второй оптической дифракционной решеткой Брэгга и фотоприемником, при этом первая и вторая оптические дифракционные решетки Брэгга выполнены со спектральным сдвигом резонансных частот друг относительно друга.

2. Волоконно-оптический датчик виброакустических сигналов на внутрисветоводном эффекте Доплера, включающий оптически связанные источник оптического излучения, чувствительный элемент и оптический разветвитель, первую оптическую дифракционную решетку Брэгга, соединенную с одним из выходов оптического разветвителя, и фотоприемник, отличающийся тем, что датчик снабжен второй оптической дифракционной решеткой Брэгга, источник оптического излучения выполнен низкокогерентным, ширина спектра которого превышает величину ширины спектра отражения первой оптической дифракционной решетки Брэгга, и последовательно соединен с оптическим разветвителем, чувствительным элементом, второй оптической дифракционной решеткой Брэгга и фотоприемником, при этом первая и вторая оптические дифракционные решетки Брэгга выполнены с идентичными параметрами по ширине полосы отражения и по резонансной частоте отражения, при этом одна из решеток выполнена с возможностью изменения резонансной частоты отражения.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к волоконной оптике и, в частности, к линиям задержки сигнала на основе многосердцевинного оптического волокна. Волоконно-оптическая линия задержки содержит последовательно соединенные оптический вход, первое устройство ввода-вывода, многосердцевинное оптическое волокно, второе устройство ввода-вывода и оптический выход, при этом по меньшей мере две сердцевины многосердцевинного оптического волокна последовательно соединены с помощью подводящих односердцевинных оптических волокон.

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано при создании волоконно-оптических интерферометрических датчиков для регистрации фазовых сигналов (вибраций, акустических воздействий).

Изобретение относится к области изготовления трехмерных интегральных оптических волноводных структур. Устройство для изготовления интегральной оптической волноводной структуры в оптически прозрачном образце с показателем преломления n1, включающее в себя трехмерную систему перемещения обрабатываемого образца, электронный блок контроля, ПЗС камеру, пьезоэлектрический дефлектор, объектив, по крайней мере, один первый источник лазерного излучения для создания способом многофотонной полимеризации в местах пересечения волновода с торцами образца выводов, выступающих из поверхности торцов образца.

Изобретение относится к области светотехники, в частности к устройству и способу перенаправления света для перенаправления прямого солнечного света (31) в здания и концентрирования в них.

Изобретение относится к технике построения пользовательских интерфейсов, а также к робототехнике. Оптическая сенсорная ткань состоит из двух слоев, образованных перпендикулярными друг другу световодами бокового свечения, на боковую поверхность которых нанесено поляризационное покрытие, внутренняя структура которого симметрична относительно осевой линии световода.

Изобретение относится к оптическим волокнам, имеющим низкие изгибные потери. В заявленной группе изобретений раскрывается два варианта выполнения оптического волокна.

Изобретение относится к области светотехники. Техническим результатом является повышение эффективности освещения.

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может найти применение для изготовления волоконных брэгговских решеток показателя преломления. Способ состоит в использовании импульсного излучения фемтосекундного лазера, которое с помощью микрообъектива фокусируется через шлифованную боковую грань прозрачной феррулы в сердцевину нефоточувствительного волоконного световода с защитным покрытием.

Изобретение относится к области лазерной волоконной техники, в частности к области создания новых типов активных лазерных сред. Устройство представляет собой многоэлементное волокно для источника лазерного излучения, включающее активное волокно, содержащее световедущую жилу, легированную по меньшей мере одним типом редкоземельного элемента, и светоотражающую оболочку.

Изобретение относится к области светотехники. Техническим результатом является повышение контрастности, яркости экрана и равномерности освещения.

Оптическое термометрическое устройство обеспечивает измерение температуры по изменению дифракционной картины света. Устройство содержит на подложке элементы периодической дифракционной микроструктуры.

Способ изготовления одномерной дифракционной фазовой решетки с синусоидальным профилем заключается в последовательном формировании канавок сканированием импульсным лазерным пучком плоскости контакта пластины из плавленого кварца с пластиной из прессованного графита.

Изобретение может быть использовано для формирования периодических интерференционных картин, например, для записи голографических дифракционных решеток, создания периодических структур различной размерности, реализации Фурье-спектрометров, брэгговских зеркал и т.п.

Изобретение относится к оптике, а именно к дифракционному устройству, имеющему нарезную решетку с отражательной поверхностью, и может быть использовано, преимущественно, в качестве оптического элемента в мощных лазерных системах для селективного усиления генерируемого излучения.

Способ изготовления дифракционной решетки включает в себя вакуумное нанесение алюминиевого покрытия и формирование штрихов треугольного микропрофиля алмазным резцом делительной машины.

Система для проецирования одного или нескольких синтетических оптических изображений включает одну или несколько структур пиктограмм изображений; и одну или несколько полностью включенных структур фокусирующих элементов пиктограмм изображений.

Способ изготовления дифракционных оптических элементов включает в себя лазерную обработку тонкопленочных слоев металла, напыленных на подложку из прозрачного материала.

Изобретение относится к устройствам дифракционных периодических микроструктур для видимого диапазона, выполненным на основе пористого кремния. Техническим результатом изобретения является создание дифракционной периодической микроструктуры на основе пористого кремния с различными металлосодержащими наночастицами.

Способ изготовления дифракционной периодической микроструктуры на основе пористого кремния включает в себя формирование заданной дифракционной периодической микроструктуры с помощью имплантации ионами благородных или переходных металлов через поверхностную маску, с энергией 5-100 кэВ.

Способ получения цветного изображения с помощью дифракционной решетки при воздействии света включает в себя создание на поверхности твердого тела массива дифракционной решетки в течение процесса микроструктурирования посредством воздействия лазера.

Автоколлимационный способ контроля ошибки стабилизации оптических стабилизаторов относится к области контроля параметров стабилизации и вибрации и может быть использован для проверки ошибки стабилизации и виброустойчивости стабилизаторов оптических систем прицельно-наводящих комплексов летательных аппаратов.
Наверх