Волоконно-оптический датчик

(5)5 Н 04 В 10 Ып 4фу ЦР П ий инстистроени/134 в 1.04 В 9/00,ДАТЧИК конной опйх акустизмущений, о времени. но-оптиче- огерентноСЛ ОЧ Сд ОО М ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕЙЙЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ИЕ ИЗОБР К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬС(57) Использование: область волотики, в частности измерение малческих и электромагнитных вопостоянных и перемещенных вСущность изобретения: волоконский датчик содержит источник к Изобретение отйосится к измерению малых акустических и электромагнитных возмущений, постоянных и переменных во времени.Известны устройства для измерения ма- лых акустических возмущений, содержащие источники излучения - лазер, оптическое волокно, оптическую систему формирования светового пучка и фотодетектор,Недостатком устройств является неконтролируемое затухание сигналов (фединг сигналов). Это результат воздействия на оптическое волокно окружающейсреды,Наиболее близким к предлагаемому является волоконно-оптический датчик акустических колебаний, содержащий источник когерентного излучения, акустооптический модулятор, делительное зеркало, дваопти ческих волокна, смесительное зеркало, фого излучения, световод,катушку, фотодетектор и фазовый дискриминатор. Источник когерентного излучения выполнен в виде двухчастотного лазера с ортогональными поляризациями мод, а световод - в виде анизотропного одномддовбго оптического волокна. Между лазером и световодом размещены последовательно установленные полуволновая пластина и первый мйкрообьектив, Между световодом и фотодетектором размещены последовательйо установленные второй микрообъектив и поляризатор- анализатор, плоскость поляризации которого ориентирована подуглом 45 относительно осей анизотропии оптического волокна, совмещенных с плоскостями поляризации мод лазера. 1 ил,тодетектор и фазовый дискриминатор. Излучение лазера делйтсяна"два пучка" дели- тельным зеркалом, Один пучок проходит через акустооптический модулятор и вводится в оптическое волбкно. Он играет роль опорного пучка. Другой пучок вводится в волокно, расположеннббв жидкости. Акустическая волна, расйроСтрайяющаяся" в этой жидкости, вызывает изменения коэффициента преломления или длины волокна; Результатом является изменение фазы света, распространяющегося в волокне, по закону акустического возмущения; Световые пучки, прошедшие опорное исигнальноеволокно, смешиваются на смесительном зеркале и поступают на фотодетектор, На нагрузке фотодетектора выделяется сигнал с частотой ГАо, определяемой акустооптическим модулятором, Сигнал акустооптического модулятора 1 до промодулирован пофазе по закону акустического возмущения; которому подверглось волокно. Для восстановления информационного (акустического)сигнала используют фазовый дискриминатор.Данное устройство обладает существенным недостатком - неконтролируемым затуханием сигнала (федингом), ведущим ксрыву работы датчика, фединг сигнала определяется следующим образом, Оптическое волокно (и опорное, и сигнальное) в реальных условиях укладки подвергается воздействиям окружающей среды (нагреву, изгибам, сжатию, вибрации и ударам). Это ведет к неконтролируемым изменениямдвулучепреломления волокна, переменным во времени, В результате меняется поляризация света, прошедшего волокно. Такимобразом, поляризация пучков нэ смесительном зеркале оказываются рассогласованными, Видность интерференционнойкартины и, следовательно, амплитуда сигнала с частотой ада оп еделяется изменениемРвнешних условий, в которых находятся опорное и сигнальное волокна. Если поляризации пучков на смесительном зеркалеортогональны, то амплитуда сигнала с частотой 1 до равна нулю, В случае совпаденияполяризаций пучков амплитуда сигналамаксимальна. Итак, воздействия окружающей среды на волоконный тракт дбтчика приводят к срыву его работы, что в конечномсчете приводит к снижению точности датчика.Цель изобретения - повышение точности датчика за счет уменьшения влияния внешнего воздействия окружающей среды на волокно.Поставленная цель достигается тем, чтов устройстве, содержащем источник когерентного излучения, оптическое волокно, фотодетектор и фазовый дискриминатор, источник оптического излучения выполненв виде двухчастотного лазера с ортогональными поляризациями мод, а световод - в виде анизотропного одномодового оптического волокна, причем азимуты поляризаций мод лазера совпадают с ориентацией осей анизотропии волокна. Кроме того, в устройство включен анализатор-поляризатор, расположенный между выходным торцом световода и ориентированный под углом 45 относительно осей анйзотропииволокна. Использование двухчастотного лазерас ортогональными поляризациями и айизотропного волокна приводит к тому, что оптическая схема датчика становится одноплечевой. Волоконно-оптический датчик, построенный по такой схеме, обладает устойчивостью к воздействиям окружающей среды на волокно, Это определяется тем, что используется анизотропное волок но. Поляризация излучения, распространяющегося в таком волокне, мало меняется при возмущениях волокна, Кроме того, и это главное, оба интерферирующих пучка пространственно совмещены практически иде ально - они распространяются в одних и техже условиях (в одном и том же волокне).Внешние вбэмущения меняют условия распространения одного интерферирующего пучка (мода с частотой 11) точно так же, как 15 и условия распространения другого интерферирующего пучка (мода с частотой 2), Поэтому, даже если поляризации интерферирующих пучков меняются (при очень сильных воздействиях), они меняются 20 согласованно, Соотношение ортогональности поляризаций интерферирующих пучков, распространяющихся в волокне, остается постоянным во всех случаях, На поляризаторе-анализаторе перед фотоприемником 25 выделяются коллинеарные компоненты полей мод лазера, которые, проинтерферировэв, дают сигнал раэностной частоты 11-т 2 на нагрузке фотоприемника. Так как соотношение ортогональности поляризаций ин терферирующих мод сохраняется,сохраняется также постоянной амплитуда сигнала разностной частоты б 1 - 12. Таким образом, существенным отличительным признаком является то, что оптическая схема 35 датчикапри использовании описанных лазера и волокна, является одноплечевой,На чертеже изображена структурнаясхема волоконно-оптического датчика.Датчик содержит лазер 1 с возможно стью генерации двух мод с частотами 11 и 12и ортогональными поляризациями, полуволновую пластинку 2, микрообьективы 3, одномодовое анизотропное оптическое волокно 4, намотанное на катушку 5. поляри затор-анализатор 6, фотодетектор 7 ифазовый дискриминатор 8.Устройство работает следующим образом.Излучение лазера 1, генерирующего две 50 моды с частотами т 1 и 2 и с ортогональнымиполяризациями, вводится в одномодовое энизотропное волокно 4 с помощью полуволновой пластинки 2 и первого микрообьектива 3. В качестве такого оптического 55 источника можно использовать эеемановский лазер (ЛГН) либо двухчастотный лазерс внутренними зеркалами (Л Г Н 208 А,Б). Управляя ориентацией полуволновой пластинки 2, добиваются совпадения азимутов поляризаций мод лазера 11 и 12.2 г(п 1 - п 2) - аниэотропия волоки медленной" оси анизотропии волокна. на,й твие измеряемых датчиком фиОптическое волокно 4 намотано надатчико- Воздействие иэмполеи сводится к изменению дливую катушку 5. Последняя помещается в зических полей3 формулы ( ) следует, чтожидкость, в которой распространяются зву ны волокна. Из ф (3)н оптического волокна приковые волны. Под действием звукового дав- изменение длины оления меняется длина оптического волокна. водит к мо фдит к модуляции фазы сигнала раэностСоответственно изменяется фаза оптиче- ной частоты. Сигналского изл чения, асп остча тоты. игнал фотодетекторавол кн . Еу ния, распространяющегося в поступает на фазовый дискримин . Ввтор. ыл аэового дискриминаторао е. Если катушку 5 выполнить из пье ходной сигнал фаэн эмеряемому фиэическозоэлектрического или магнитострикционно- пропорционален иго материала, то помещение катушки 5 му параметру.соответственно в электрическое или маг- Общая конфи а иящая конфигурация построения датнитное чоле также приводит к изменению чика, позволяющая поддерживать неизменфазы света в оптическом волокне. Опреде .ной взаимную ориента июлив изменение фазы когения, пол чают инффазы когерентного излуче- полей интерферирующих пучков позвволяетвоэ Й ту формацию о величине создатьдатчик,устойчивоработаюде с вия, которому подверглась датчи- разнообразных паразитных воздействияхокружающей среды на волокно.ковая катушка,Рассмотрим подробнее процесс моду Формула изоб тля ии фазы вц ф света в датчике. В датчиковом Волоконно-оптическийла изо ретенияволокне асп тскии датчик, содерр ространяются две волны с ор- жащий источник когерентзого иэл чениятогональными поля иляриэациями; Поля этих световод, катушку, фотодетектор и фазовыйволн определяются во времени так: дискриминаторт р, отл ича ю щи йс я тем,е 1-.е 1 оатп(2 тт 1 т+ и ), .тт): 25 что, с пенью повышения точности ва счетуменьшения влияния внешнего воздейстЕа - Еао вщ 2 и тт + пт ). т 2) вия окРужающей среды, источник котерент.Хного излучения выполнен в видегде 11, 12 - частоты мод. генерируемыхлаэе- двухчастотного лазера с ортогональнымиром; 30 поляризациями мод, а световод - в видеА - длина волны излучения лазеров; анизотропного одномодового оптическогоп 1,п 2 - эффективные коэффициенты волокна, между лазером и световодом разпреломления анизотропного волокна по : мещены последовательно установленн еобыстройн и "медленной" оси волокнасоот- введенные полуволновая пластина и перь35 . вый микрообьектив, а между световодом и- длина волокна. фотодетектором размещены последоваСвет, прошедший через волокно. прохо- . тельно установленные введенные второйдит затем через второй микрообьектив и микрообьектив и поляризатор-анализатор,поляризатор-анализатор, ориентйровай=" - плоскость поляризации которого ориентиный под углом 45 относительно направле рована под углом 45 О относительно своейния одной из осей аниэотропии волокна. На анизотропии оптического волокна, совменагрузке фотодетектора 7 выделяется сиг- щенныхсплоскостямиполяризациимодланал разностной частоты: . эера.зЬ(2 к (1 - 2)С+ В), (3)Тираж ПодписноеГосударственного комитета по изобретениям и открцтиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5