21468

Одночастотный лазерный интерферометр Майкельсона. Принципы измерения расстояний и линейных перемещений

Лекция

Физика

1 Упрощенная схема интерферометра Майкельсона При рассмотрении двухлучевых интерферометров следует обратить внимание на временные и пространственные фазы излучения. Поскольку основным уравнением интерферометрии является уравнение для интенсивности излучения сформированного двумя полями 1 2...

Русский

2013-08-02

395.5 KB

113 чел.

PAGE  14

Лекция №4 Одночастотный лазерный интерферометр Майкельсона. Принципы измерения расстояний и линейных перемещений.

1907 Albert Abraham Michelson Альберт Абрахам Майкельсон получил нобелевскую премию за создание точных оптических инструментов и спектроскопических и метрологических исследований, выполненных с их помощью.

В интерферометре Майкельсона расщепление может быть выполнено многими методами, и именно этим различные интерференционные схемы отличаются друг от друга. Этот прибор сыграл громадную роль в истории науки. На рис.1 изображена упрощенная схема интерферометра Майкельсона.

Свет от источника S расщепляется на полупрозрачной пластинке П и распространяется далее по двум перпендикулярным направлениям. Разность хода между лучами в точке наблюдения P равна , где  и – длины «плеч» интерферометра. При строгой перпендикулярности зеркал  и  интерферометр может быть отъюстирован так, что лучи, приходящие в точку наблюдения, оказываются параллельными. В этом случае угол схождения лучей  и, следовательно, все интерференционное поле на экране имеет одинаковую интенсивность (ширина интерференционных полос стала очень большой), зависящую от реализованной разности хода . Отметим, что реально условие  выполняется лишь в пределах небольшой площадки экрана, на которой наблюдается интерференция. При больших размерах экрана на нем должны наблюдаться интерференционные кольца.

Рис.1 Упрощенная схема интерферометра Майкельсона

При рассмотрении двухлучевых интерферометров следует обратить внимание на временные и пространственные фазы излучения. Поскольку основным уравнением интерферометрии является уравнение для интенсивности излучения сформированного двумя полями

                                                   (1)

                                                        (2)

                                  (3)

Или в выражении для интенсивности будет

                               (4)

Здесь  величина, определяемая через расстояние и показатель преломления.

Распределение интенсивности в плоскости наблюдения носит осесимметричный  характер –максимумы и минимумы имеют форму окружностей:

Для светлых полос  

 

Для темных полос

Рис.2

Кольцевые интерференционные полосы образуются на выходе интерферометра Майкельсона в поле сферических волн при расположении зеркал перпендикулярно оптической оси интерферометра (а) и при наклоне одного зеркала на малый угол.

В интерферометрах используется связь пространственных фаз излучения с пройденным излучением расстоянием. Но на изменение фаз влияет также и частотная нестабильность излучения.

Рис.3 Изменение интенсивности света в центре интерференционной картины в зависимости от величины смещения  зеркала интерферометра.

Смещение зеркала на   сопровождается изменением интенсивности от максимуму до минимума. Подсчитывая количество переходов можно определить пройденное зеркалом расстояние

С развитием лазеров, в качестве источника в интерферометре Майкельсона стали использоваться стабилизированные по частоте одночастотные и одномодовые Не-Ne лазеры. Две особенности излучения этих лазеров определяют успешность их применение в интерферометре. Первая, высокая стабильность частоты излучения. Количественная оценка стабильности частоты излучения определяется через величину абсолютной и относительной нестабильности частоты. Вторая, очень малая расходимость пучка излучения -3 10-3 радиан.

 

Рис.4 - Измерение расстояния и линейного перемещения

а – схема ЛИС: 1 – лазер, 2 – светоделитель, 3 – опорный отражатель, 4 – измерительный отражатель, 5 – фотоприемник, 6 - блок управления и обработки сигнала; б – закон изменения интерференционного сигнала при перемещении измерительного зеркала

Рассмотрим принципиальную структуру лазерного измерительного интерферометра. Интерферометр, состоящий из светоделителя 2, опорного отражателя 3 и измерительного отражателя 4, который перемещается по направлению измерений. Для работы интерферометра необходимо излучение, волновой фронт которого максимально приближается к плоскому фронту. Для технического обеспечения таких свойств излучения лазера, используется коллиматор, формирующий плоско-параллельный пучок диаметром 3-5 мм. Сначала, с помощью первой группы линз, увеличивается расходимость лазерного пучка, после чего излучение с помощью другой группы линз преобразуется в плоско – параллельный пучок. (Практическое Задание №1 – рассчитать параметры линз коллиматора и расстояние между ними).

Следующий элемент, обеспечивающий работу интерферометра Майкельсона – светоделитель, с помощью которого выполняется разделение оптического пучка. В одном случае светоделитель делит излучение с линейной поляризацией на два пучка с равной мощностью. Этот случай относится к интерферометру, работающему с одночастотным излучением, и рассматривается в настоящей лекции. В другом случае пучок, содержащий две частоты, каждая из которых имеет свою поляризацию, светоделитель разделяет излучение по направлениям поляризации.  

Светоделитель может быть выполнен в виде делительного кубика или делительной пластины, рабочая поверхность которых покрыта диэлектрической многослойной пленкой. В одном случае пленка делит энергию падающего излучения в другом пленка обладает поляризационными свойствами разделяющими излучение с ортогональной поляризацией.

Интенсивность интерференционного сигнала I на фотоприемнике 5 изменяется по закону (рис. 1б)

(5)

где I0 и I~ - постоянная составляющая и амплитуда переменной составляющей сигнала соответственно; 2L - геометрическая разность хода интерферирующих пучков;  - длина волны излучения.

Расстояние от нуля интерферометра 0 до измерительного отражателя 4:

(6)

где P - порядок интерференции,  - фаза интерференционного сигнала I, определяемого формулой (5).

2 Описание принципа работы и оптических схем интерферометров со счетом полос

Метод счета полос заключается в измерении (счете) числа периодов изменения интерференционного сигнала при изменении ГРХ.

Для предотвращения ложного счета вследствие механических вибраций и турбулентности воздуха осуществляют реверсивный счет, при котором определяют знак каждого счетного периода приращения порядка интерференции.

Применяют два способа реверсивного счета полос.

2.1 Интерферометр со счетом полос на основе квадратурных сигналов

Квадратурными называют два сигнала, содержащие информацию об одной и той же ГРХ, но сдвинутые по фазе на π/2:

(7)

Фиксируя пересечения сигналами (2) среднего уровня (рис. 2б), измеряют приращения ГРХ c дискретой λ/4. Знак каждой дискреты определяют по фазовому сдвигу между сигналами, который в зависимости от направления изменения ГРХ равен π/2 или 3π/2.

Рисунок 2 – Счет полос на основе квадратурных сигналов

а – схема ЛИС: 1 – лазер, 2 – светоделительная призма-куб, 3 – фазовая пластина λ/8, 4 – опорный отражатель, 5 – измерительный отражатель, 6 – поляризационная призма-куб, 7 – фотоприемник, 8 – блок управления и обработки сигналов; б – схема обработки интерференционных сигналов.

На рис. 2а изображена схема ЛИС, где квадратурные сигналы получают оптическим способом. Плоскость поляризации излучения одночастотного лазера 1 составляет угол 450 с плоскостью чертежа. Фазовая пластина λ/8 - позиция 3, одна из собственных осей которой лежит в плоскости чертежа, вносит в интерферометр, образованный светоделительной призмой-куб 2 и отражателями 4, разность ГРХ, равную λ/4, для составляющих излучения лазера параллельной и перпендикулярной плоскости чертежа. Поляризационная призма-куб 6 разделяет эти составляющие. В результате интерференционные сигналы I1 и I2 на фотоприемниках 6 сдвинуты по фазе на π/2.

Информационный спектр сигналов (3) содержит постоянные составляющие I10 и I20. Подобные ЛИС называют системами без переноса спектра сигнала или системами "постоянного тока". Метод счета полос на основе квадратурных интерференционных сигналов не ограничивает скорость изменения и максимальное значение диапазона измеряемых расстояний. Время измерения в ЛИС, работающих на основе этого метода, определяется только пропускной способностью электронного тракта и может составлять сотые доли

микросекунды (скорость счета полос 100 МГц), что при дискpете λ/4 соответствует скорости приращения ГРХ 16 м/с. Измеряемые расстояния превышают десятки метров. Минимальную погрешность измерения расстояния определяет дискрета счета, чаще всего равная λ/8.

2.2 Интерферометр со счетом полос на основе частотной модуляции

Рисунок 3 - Измерение расстояния на основе частотной модуляции

а - схема ЛИС: 1 - лазер, 2 - светоделитель, 3 - поляризационная призма-куб, 4 - фазовая пластина λ/4, 5 - опорный отражатель, 6 - измерительный отражатель, 7 - поляризатор, 8 – фотоприемник, 9 - блок управления и обработки сигналов; б, в - схемы обработки интерференционных сигналов.

На рис. 3а приведен пример схемы ЛИС. Двухчастотный лазер 1 излучает две волны с частотами f1 и f2, одна из которых поляризована параллельно, а другая - перпендикулярно плоскости чертежа. Светоделитель 2 отклоняет часть излучения каждой частоты для формирования опорного сигнала I0. Поляризационная призма-куб 3 разделяет составляющие излучения разных частот и направляет их в разные плечи интерферометра. Пластины /4 - позиция 7, оптические оси которых составляют угол 450 с плоскостью чертежа, меняют состояние поляризации дважды прошедших пучков на ортогональное. Поляризационная призма-куб 3 обеспечивает суперпозицию пучков, возвращенных отражателями 4 и 5, в направлении I1. После поляризаторов 6, ось пропускания которых составляет угол 450 с плоскостью чертежа, в результате интерференции пучков с разными частотами образуются опорный I0 и измерительный I1 сигналы биения.

Частота модуляции, аналогично частоте фазовой модуляции, ограничивает время измерения. Однако при использовании акустооптических модуляторов она может быть установлена достаточно большой, чтобы этим ограничением можно было пренебречь. Тогда время однократного измерения фазы определяется временем задержки фазоизмерительного устройства и составляет для современных ЛИС около 10 мкс.

Так как ЛИС на основе частотной модуляции обеспечивают время измерения на порядок меньше, чем ЛИС на основе фазовой модуляции, допустимые скорости изменения ГРХ в них на порядок выше. Эти ЛИС считаются в большей степени подходящими для высокоточных измерений в реальном масштабе времени . При равной погрешности они имеют несколько больший диапазон измерения ГРХ.

На основе методов прямого измерения фазы разрабатывают ЛИС для измерения медленно меняющихся во времени и незначительных по величине расстояний с высокой точностью. Основная область применения таких ЛИС - контроль профиля и шероховатости поверхностей, в том числе оптических. Другая обширная сфера применения - интерференционные датчики физических величин, изменение которых можно преобразовать в изменение геометрической или оптической разности хода интерферирующих лучей (давление и влажность атмосферы, температура, напряженность электрического и магнитного полей и др.).

Частотную модуляцию интерференционного сигнала обеспечивают путем суперпозиции двух волн разной оптической частоты. В этом случае закон изменения интенсивности имеет вид

(8)

где I1 и I2 - интенсивности,  и  - оптические частоты, 1 и 2 - фазы интерферирующих волн.

Все переменные составляющие сигнала (4), кроме последней, вследствие высокой частоты не могут быть детектированы фотоприемником непосредственно.

Выбирая близкие оптические частоты интерферирующих волн, получают частоту fb= n1- n2 последней составляющей, удобную для обработки в фотоэлектронной системе. Эту частоту называют сигналом биения.

Особенность сигнала биения в том, что даже в отсутствие изменения ГРХ между интерферирующими волнами интенсивность изменяется по гармоническому закону. Если одна из интерферирующих волн проходит дополнительный геометрический путь 2L, то сигнал биения получает дополнительный фазовый сдвиг f=4pL/l, эквивалентный фазе немодулированного интерференционного сигнала на длине волны l при ГРХ интерферирующих лучей, равной 2L.

Чтобы определить ГРХ, измеряют фазовый сдвиг (рис. 3б)

f(t)=2p*t*fb

между опорным и измерительным сигналами биения:

I0(t)=A0 *COS[2p(n1- n2)t+(f1-f2)] ,

I1(t)=A1 *COS[2p(n1- n2)t+(f1-f2)+ f(t)] ,

(9)

где A0 и A1 - их амплитуды.

Вместо непрерывного измерения разности фаз между сигналами подсчитывают число биений каждого из них N0 и N1 и отслеживают разность DN=N1-N0 (рис. 3в). Если ГРХ в интерферометре не меняется, частоты опорного и измерительного сигналов равны f0=f1= u1 -u2, и DN=0. При движении отражателя 4 частота биения измерительного сигнала становится равной f1= u1- u2+Du, где Du=Df(t)/ Dt.

Изменение ГРХ равно 2DL= DN*l=(N1-N0)*l. Знак при Dn зависит от направления движения отражателя 4.

Связь между знаками DL и D u остается однозначной до тех пор, пока [D u]<[ u1- u2]. Чтобы исключить влияние низкочастотных шумов на работу ЛИС, обеспечивают ¦D u¦<[ u1- u3]+ uш, где uш - верхняя граничная частота шумов. Таким образом, в ЛИС со счетом полос на основе частотной модуляции имеет место принципиальное ограничение скорости изменения измеряемых расстояний. В современных ЛИС она не превышает 1 м/с.

При счете числа биений сигналов дискрета измерения приращений ГРХ равна l. Для повышения точности измерения уменьшают дискрету счета, умножая частоты этих сигналов в электронной системе. Чаще всего обеспечивают дискрету l/64 .

Метод счета полос на основе частотной модуляции, также как и на основе квадратурных интерференционных сигналов, не ограничивает максимальное значение измеряемых расстояниий, которые в известных ЛИС достигают 100 м.

ЛИС со счетом полос применяют для измерения больших расстояний и быстрых линейных перемещений с интерференционной точностью.

Благодаря достигнутому уровню технических характеристик и высокой надежности они находят широкое применение в метрологии (аттестация станков и технологического оборудования, поверка вновь разрабатываемых инструментов измерения расстояний и т.д.). Очень перспективная область их применения - преобразователи линейных перемещений координатно-измерительных систем станков и технологического оборудования.


СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Лысенко Г.А. Принципы измерения расстояний и линейных перемещений. Рукопись.

2.Коронкевич В.П. Ленкова Р.А. Лазерные измерительные устройства журнал «Автометрия ».

3. Коронкевич В.П. Ханов В.И. Лазерные интерферометры

Р

ис.8


EMBED Word.Picture.8  

EMBED Word.Picture.8  

EMBED Word.Picture.8  

12. DITEST-SO-N-SERIES — Multiple Channel Extension Module for Fiber Optic Distributed Monitoring // http://www.omnisens.ch/docs/1204645367_DT-SO-N-ENG-01.pdf

13. Aldo Minardo. Fiber-optic distributed strain/temperature sensors based on stimulated Brillouin scattering / http://www.dii.unina2.it/opto/publications/PhD_Thesis_Minardo.pdf

14. Anthony W. Brown, Bruce G. Colpitts, Kellie Brown. Dark-Pulse Brillouin Optical Time-Domain Sensor With 20-mm Spatial Resolution / Journal of Lightwave Technology, vol. 25, No. 1, January 2007

15. Jasenek J. Optical Time-Domain Reflectometry (OTDR) — conventional approach // The theory and application of the fiber optic sensors with spread parameters / THEIERE project No. 10063-CP-1-2000-1-PT-ERASMUS-ETNE http://www.eaeeie.org/theiere_bratislava/3.html

16. Kwang Yong Song, Kazuo Hotate. Distributed fiber strain sensor with 1-khz sampling rate based on brillouin optical correlation domain analysis / IEEE photonics technology letters, vol. 19, No. 23, December 1, 2007

17. He Zuyuan, Takahashi Hiroshi, Hotate Kazuo. Optical Coherence Domain Reflectometry Using Optical Frequency Comb / Technical report of IEICE. OFT 09135685 The Institute of Electronics, Information and Communication Engineers 20090521 109 59 55-60 http://ci.nii.ac.jp/naid/110007160725/ en/

Н.Ю. Ситнов,
Н.И. Горлов

Сибирский государственный университет
телекоммуникаций и информатики, г. Новосибирск

 http://infosfera.sfo.ru/articles.php?cat_id=25&id=586

Изменение спектральной характеристики

Интенсивность отраженного света

Пучковое

Доступ через катетер

Отражательного типа

Интенсивность СВЧ-излучения

Изменение коэффициента отражения жидкого кристалла

Интенсивность отраженного света

Пучковое

Неразрушающий контроль

Антенного типа

Параметры высоковольтных импульсов

Излучение световода

Интенсивность пропускаемого света

Многомодовое

Длительность фронта до 10 нс

Антенного типа

Температура

Инфракрасное излучение

Интенсивность пропускаемого света

Инфракрасное

250...1200° С (точность ±1%)

Датчики с оптическим волокном в качестве чувствительного элемента

Кольцевой интерферометр

Скорость вращения

Эффект Саньяка

Фаза световой волны

Одномодовое

>0,02 °/ч

Кольцевой интерферометр

Сила электрического тока

Эффект Фарадея

Фаза световой волны

Одномодовое

Волокно с сохранением поляризации

Интерферометр Маха-Цендера

Гидроакустическое давление

Фотоупругость

Фаза световой волны

Одномодовое

1...100 рад×атм/м

Интерферометр Маха-Цендера

Сила электрического тока, напряженность магнитного поля

Магнитострикция

Фаза световой волны

Одномодовое

Чувствительность 10-9 А/м

Интерферометр Маха-Цендера

Сила электрического тока

Эффект Джоуля

Фаза световой волны

Одномодовое

Чувствительность 10 мкА

Интерферометр Маха-Цендера

Ускорение

Механическое сжатие и растяжение

Фаза световой волны

Одномодовое

1000 рад/g

Интерферометр Фабри-Перо

Гидроакустическое давление

Фотоупругость

Фаза световой волны (полиинтерференция)

Одномодовое

Интерферометр Фабри-Перо

Температура

Тепловое сжатие и расширение

Фаза световой волны (полиинтерференция)

Одномодовое

Высокая чувствительность

Интерферометр Фабри-Перо

Спектр излучения

Волновая фильтрация

Интенсивность пропускаемого света

Одномодовое

Высокая разрешающая способность

Интерферометр Майкельсона

Пульс, скорость потока крови

Эффект Доплера

Частота биений

Одномодовое, многомодовое

10-4...108 м/с

Интерферометр на основе мод с ортогональной поляризацией

Гидроакустическое давление

Фотоупругость

Фаза световой волны

С сохранением поляризации

Без опорного оптического волокна

Интерферометр на основе мод с ортогональной поляризацией

Напряженность магнитного поля

Магнитострикция

Фаза световой волны

С сохранением поляризации

Без опорного оптического волокна

Неинтерферометрическая

Гидроакустическое давление

Потери на микроизгибах волокна

Интенсивность пропускаемого света

Многомодовое

Чувствительность 100 мПа

Неинтерферометрическая

Сила электрического тока, напряженность магнитного поля

Эффект Фарадея

Угол поляризации

Одномодовое

Необходимо учитывать ортогональные моды

Неинтерферометрическая

Скорость потока

Колебания волокна

Соотношение интенсивности между двумя модами

Одномодовое, многомодовое

>0,3 м/с

Неинтерферометрическая

Доза радиоактивного излучения

Формирование центра окрашивания

Интенсивность пропускаемого света

Многомодовое

0,01...1,00 Мрад

Последовательного и параллельного типа

Распределение температуры и деформации

Обратное рассеяние Релея

Интенсивность обратного рассеяния Релея

Многомодовое

Разрешающая способность 1 м

Условия реализации волоконных датчиков связаны с наличием оптической комплектации:

- оптическое волокно в различных спектральных диапазонах. Волокно с сохранением поляризации излучения;

- источники оптического (в том числе и в ближнем инфракрасном диапазоне) излучения в диапазоне от 0,6 мкм до 2 мкм. Светодиоды и лазеры. Управление спектром излучения. DFB и DBR лазеры. Возможность модуляции. Ширина спектра излучения. Многомодовое излучение и перескоки с моды на моду. Расходимость излучения и согласование пучков излучения с многомодовым и одномодовым волокном. Система стыковки полупроводникового лазера с оптическим волокном. Температурные характеристики светодиодов и полупроводниковых лазеров. Надежность используемых излучателей. 100 000 часов непрерывной работы (более 10 лет). Оптическая изоляция лазерных источников излучения;

- приемники оптического излучения. Малогабаритность, малое энергопотребление. Высокая чувствительность. Время реакции. Pin фотодиоды, ЛФД фотодиоды. Методы обнаружения светового сигнала.

- стержневые линзы (граданы). Согласование с волокном;

- прямоугольные призмы, уголковая призма, поляризационный расщепитель, призма-поляризатор (Глан-Томпсон, Рошон);

- фазовая пластинка (лямбда/2 лямбда/4);

- оптические изоляторы 50 дБ и более, в коротковолновом (0,8 мкм длинноволновом 1,3 мкм и 1.5 мкм), парамагнитное стекло с добавками (Тербия Tr3+).

- Соединительные и разделительные фильтры (Многослойники, дифракционные решетки);

- модуляторы интенсивности (на основе электрооптического эффекта, ниобат лития, обладающий электрооптическими свойствами, которые зависят от температуры, (которая мешает)), (акустооптические модуляторы интенсивности);

- сдвиг оптической частоты (устройство на основе ультразвукового модулятора, перпендикулярное падение дифракция Рамана – Ната, дифракция Брега);

Волокно в качестве линии передачи

- изменение интенсивности от коэффициента отражения или прохождения (спектр поглощения полупроводников – датчик температуры, эффект пьезопоглощения –датчик давления, изменение спектра поглощения – газовый датчик)

Кроме поглощения Бугера - Ламберта в такой системе регистрируются вещества по отдельным линиям поглощения

Почему в естественных условиях не применяются широкополосные источники излучения? Линии поглощения от различных газов и веществ могут располагаться очень близко друг к другу, или просто перекрываться своими крыльями. В этом случае идентификация отдельных веществ или газов по линиям поглощения может быть затруднена.

Датчик паров воды один из самых востребованных, конкуренция громадная, но и спрос большой (два примера: кирпичный завод и самолетные датчики).

- люминесценция (термолюминесценция – датчик температуры), электролюминесценция (датчик электрического напряжения),

радиоактивная люминесценция (радиоактивный датчик);

- модуляция поляризованного излучения (эффект Фарадея – датчик электрического тока, магнитного поля),

Угол фарадеевского вращения  при напряженности магнитного поля и длине светового пути в веществе  определяется по формуле

Здесь  постоянная Верде, характеризует активность эффекта Фарадея для данного вещества.

В используемой системе анализатор обеспечивает зависимость интенсивности от угла поворота, что обеспечивает количественную оценку величины магнитного поля. Если установить угол между поляризатором и анализатором 45°, то регистрируемая световая мощность определяется по формуле

За какими параметрами надо следить! Стабильность интенсивности излучения и поляризации исходного излучения.

(эффект Поккельса – датчики электрического поля),

При распространении света по выбранному направлению происходит разделение на две моды с линейной поляризацией. В этих кристаллах коэффициент преломления для каждой моды изменяется пропорционально напряженности приложенного электрического поля.

(эффект фотоупругости – датчики давления, колебаний).

Под действием давления в фотоупругих материалах возникает двойное лучепреломление. Это значит входной линейно поляризованный на выходе имеет круговую поляризацию. Следовательно световая мощность измеряемая с помощью светового детектора определяется по формуле

Где  измеряемое давление , так называемое полуволновое давление

Параметр С - постоянная фотоупругости и определяется через коэффициенты преломления, оптическую деформацию и упругость.

- модуляция частоты (эффект Доплера –датчики скорости, вибрации). Используя доплеровский частотный сдвиг можно создать датчик микроскорости.

Волокно в качестве чувствительного элемента

(работа для сельского хозяйства)

Под волоконно-оптическим измерением температуры (английский вариант DTS = Distributed Temperature Sensing) понимают применение оптоэлектронных приборов для измерения температуры, при которой стеклянные волокна используются в качестве линейных датчиков. Типичными случаями применения линейных волоконных температурных датчиков являются сферы, связанные с безопасностью, например, системы пожарного оповещения в автомобильных, железнодорожных или сервисных туннелях; термический контроль силовых кабелей и воздушных линий передач для оптимизации производственных отношений; повышение эффективности нефтяных и газовых скважин; обеспечение безопасного рабочего состояния промышленных индукционных плавильных печей; контроль герметичности контейнеров с сжиженным природным газом на судах в разгрузочных терминалах; обнаружение утечек на плотинах и запрудах; контроль температуры при химических процессах; обнаружение утечек в трубопроводах.

Физические воздействия на оптоволокно, такие как: температура, давление, сила натяжения - локально изменяют характеристики пропускания света и как следствие, приводят к изменению характеристик сигнала обратного отражения. В основе измерительных систем на основе оптоволоконных датчиков используется сравнение спектров и интенсивностей исходного лазерного излучения и излучения, рассеянного в обратном направлении, после прохождения по оптоволокну.

Обратное световое рассеяние при температурном воздействии

Оптические волокна изготовлены из легированного кварцевого стекла. Кварцевое стекло представляет собой разновидность двуокиси кремния (SiO2) с аморфной твердотельной структурой. Температурные воздействия инициируют вибрации в молекулярной решетке. Когда свет попадает на термически возбужденные молекулы, происходит взаимодействие между световыми частицами (фотонами) и электронами. Таким образом, в оптическом волокне происходит световое рассеяние, так же известное, как рамановское рассеяние.

Обратное световое рассеяние состоит из нескольких спектральных составляющих:

• Рэлеевское рассеяние, с длиной волны аналогичной, используемой в лазерном источнике;

• Стоксовы компоненты Рамановского рассеяния с длиной волны большей, чем у используемого лазерного источника, при которых испускаются фотоны;

• Антистоксовы компоненты Рамановского рассеяния с меньшей длиной волны, по сравнению с рэлеевским рассеянием, при которых фотоны поглощаются.

Интенсивность рассеяния, так называемого антистоксова диапазона, зависит от температуры, в то время как, стоксова компонента от температуры практически не зависит. Локальная температура оптического волокна выводится из отношения антистоксовой и стоксовой интенсивностей света. Бриллюэновские линии, которые более интенсивны, чем Стоксовы, но имеют меньший спектральный сдвиг. Этот спектральный сдвиг вызван акустическими колебаниями кристаллической решетки волокна и несет в себе информацию о механических напряжениях и температурах, воздействующих на волокно. Воздействие механических напряжений и температур приводит к изменению положения Бриллюэновской линии на шкале длин волн.

Датчики температуры на основе Рамановских линий

Самым современным оборудованием в системе мониторинга распределения температуры, например в трубопроводах, является распределенный оптоволоконный датчик температуры на основе Рамановских линий. Принципом работы датчика является то, что интенсивность Стоксовой Рамановской компоненты рассеянного излучения практически не зависит от температуры, а интенсивность Антистоксовой линии сильно связана с температурой. Это позволяет, определяя отношение интенсивности Антистоксовой линии и Стоксовой линии, определять значение температуры. Данный подход позволяет избавиться от погрешности, связанной с возможными флуктуациями мощности зондирующего лазерного импульса. Системы этого типа могут работать на расстояниях в несколько километров. Пространственное разрешение может достигать 0,5 м.

Самым известным методом основанным на эффекте обратного рассеивания является метод OTDR (= Optical Time Domain Reflectometry или оптическая рефлектометрия во временной области). В его основе заложен импульсно-акустический метод (импульсы и эхо), в результате разницы времени распространения между временем передачи и обнаружения световых импульсов можно определить уровень и место рассеивания.   Поэтому локально распределенный датчик температуры Рамана с техникой OTDR может быть реализован только с помощью мощных (дорогих) импульсных лазеров (обычно лазеров с твердым рабочим веществом) и быстрой, также дорогостоящей, техникой передачи сигналов. Разработанный компанией «LIOS Technology GmbH» температурный датчик Рамана OFDR (OFDR, Optical Frequency Domain Reflectometry = рефлектометрия частотной области) работает не во временном диапазоне, как техника OTDR, а в частотном. При методе OFDR получают информацию о локальном изменении температуры, если сигнал обратного рассеивания, обнаруженный на протяжении всего времени измерения, измеряется как функция частоты и в комплексе (комплексная передаточная функция), а затем подвергается преобразованию Фурье. Существенными преимуществами техники OFDR являются режим квазинепрерывного излучения лазера и узкополосное обнаружение оптического сигнала обратного рассеивания, вследствие чего, достигается значительно более высокое отношение сигнал / шум, чем при использовании импульсной техники. Данное техническое преимущество позволяет использовать недорогие полупроводниковые лазерные диоды и недорогостоящие электронные блоки для передачи сигналов. Им противопоставляется технически сложное измерение комбинационного рассеиваемого света (комплексное измерение в соответствии с величиной и фазой) и высокая затратная часть из-за БПФ (блока преобразования Фурье), необходимого для обработки сигнала и с более высокими требованиями к линейности электронных блоков и компонентов.

Схематическая структура волоконно-оптической системы измерения температуры состоит из блока формирования сигнала с частотным генератором, лазера, оптического модуля, приемного блока и блока микропроцессора, а также световодного кабеля (кварцевое стеклянное волокно) в качестве линейного температурного датчика. В соответствии с методом OFDR интенсивность лазера в течение интервала времени измерения модулируются синусообразно, а частота — в виде линейной частотной модуляции. Отклонение частоты является прямой причиной для локального срабатывания рефлектометра. Частотно-модулированный свет лазера направляется в световод. В любой точке вдоль волокна возникает комбинационный рассеянный свет, излучаемый во всех направлениях. Часть комбинационного рассеянного света движется в обратном направлении к блоку формирования сигнала. Затем выполняется спектральная фильтрация света обратного рассеивания, его преобразование в измерительных каналах в электрические сигналы, усиление и электронная обработка. Микропроцессор проводит расчет преобразования Фурье. В качестве промежуточного результата получают кривые комбинационного обратного рассеивания как функцию длины кабеля. Амплитуда кривых обратного рассеивания пропорциональна интенсивности соответствующего комбинационного рассеивания. Из отношения кривых обратного рассеивания получают температуру волокна вдоль световодного кабеля. Технические спецификации системы измерения температуры Рамана могут быть оптимизированы посредством настройки параметров прибора (дальность действия, локальное разрешение, точность температуры, время измерения). Возможна также регулировка световодного кабеля в соответствии с возможностями конкретного случая применения. Термическая стойкость стекловолоконного покрытия ограничивает максимальный диапазон температуры световодного кабеля. Стандартные волокна для передачи данных располагают акриловым покрытием или покрытием, затвердевшим в результате УФ (ультрафиолетового) излучения, и пригодны для диапазона температур до 80 °C. Стекловолокно с полиамидным покрытием может использоваться до максимальной температуры 400 °C.

Бриллюэновские системы Как отмечено ранее, спектральный сдвиг Бриллюэновской линии вызван акустическими колебаниями кристаллической решетки волокна и несет в себе информацию о механических напряжениях и температурах, воздействующих на оптоволокно. Созданные к настоящему времени алгоритмы обработки сигналов таких систем позволяют разделить информацию о температуре и о механических воздействиях. Для Бриллюэновской системы мониторинга типичны следующие характеристики: расстояние, на которое может работать единичная система – 40 – 50 км при пространственном разрешении 1 – 2 метра. К недостаткам Бриллюэновских систем мониторинга следует отнести сложность их устройства, которая обуславливает высокую стоимость. Преимуществом Бриллюэновских систем является возможность работы с сенсорными кабелями на основе обычного дешевого связного волокна. Время получения сигнала с таких систем составляет ориентировочно 1 – 2 минуты. При работе с более длинными линиями время измерений возрастает. Для повышения чувствительности и значительного сокращения времени измерений используется метод, основанный на стимулированном Бриллюэновском рассеянии. Он отличается от систем на спонтанном рассеянии тем, что в волокно направляются одновременно непрерывное «пробное» лазерное излучение и мощный импульс накачки Системы мониторинга на основе стимулированного Бриллюэновского рассеяния обеспечивают работу на расстояние порядка 50 км (возможны большие расстояния) с пространственным разрешением от 0,5 м. Минимальная частота получения измерительной информации может составлять значения порядка одного Герца.

Датчики на основе интерференции

Волоконно-оптические интерферометры:

Кольцевой

Кольцевой Фабри-Перо

Маха – Цендера

Майкельсона

Автомобиль, как грузовой, так и легковой представляем в качестве самодиагностируемой системы, в которой все параметры должны контролироваться перманентно.

Требуется контроль:

- уровня масла

- Уровень бензина

- напряжение на аккамуляторе

- ток разряда акамулятора через стартер

- наличие СО в выхлопных газах

- индикаторы закрытия дверей


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

77168. ВЫБОРЫ ПРЕЗИДЕНТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 707 KB
  Действительно будущему кандидату необходимо трезво оценивать свои возможности по финансированию избирательной кампании а также планировать возможность привлечения внешних источников пополнения избирательного фонда.