Пример волоконно-оптического датчика с фазовой модуляцией

Пример волоконно-оптического датчика с фазовой модуляцией

Министерство образования и науки Российской Федерации

Московский государственный университет леса

Факультет электроники и системотехнки

Кафедра информационно-измерительных систем и технологий приборостроения

Доклад на тему:

«Пример волоконно-оптического датчика с фазовой модуляцией»

Мытищи 2012

Волоконно-оптические датчики

По принципу действия все волоконно-оптические датчики физических величин делятся на четыре класса в соответствии с тем, какой из параметров световой волны,

,

распространяющейся по волокну, используется для получения информации об измеряемом физическом воздействии: Em - амплитуда электрического поля, фаза , состояние или направление поляризации электрического вектора , или частота ω.

Принцип действия обобщенного волоконно-оптического датчика состоит в следующем. Оптическое излучение от источника проходит через передающий оптический канал на чувствительный элемент (ЧЭ), находящийся под воздействием измеряемой величины. В результате физического воздействия оптические свойства ЧЭ изменяются, что в свою очередь приводит к изменению параметров оптического излучения. Далее преобразованное оптическое излучение через приемный оптический канал поступает на регистрирующее устройство.

В основу классификации волоконно-оптических датчиков целесообразно положить различия оптических схем модуляции света. Это датчики, действие которых основано на амплитудной модуляции света, фазовой модуляции света (интерференционные), поляризационные датчики, частотные датчики. В данном сообщении рассмотрим волоконно-оптические датчики с фазовой модуляцией.

Волоконно-оптические датчики с фазовой модуляцией (интерференционные) представляют собой устройства, регистрирующие изменения фазы оптического излучения, распространяющегося по оптическому каналу. Эти датчики используют эффект накапливающегося изменения фазы в протяженном отрезке волокна. Изменения возникают при внешнем воздействии на материал канала и регистрируются интерферометрическим методом при наложении сигналов измерительного и контрольного каналов. В основу действия датчиков фазовой модуляции положен один из трех принципов: интерферометра Маха - Цендера (волоконно-оптические, интегральные); межмодовой интерференции - двухмодовые, многомодовые, с модами одной (или разной) поляризацией; одноволоконного интерферометра с двунаправленной оптической связью (оптические, волоконные); известны также датчики на основе интерферометра Фабри - Перо.

При передаче измерительной информации путем модуляции фазы оптической волны возникают проблемы с мультиплексированием информации (т.е. с передачей по одному общему световоду измерительной информации от нескольких датчиков). Кроме того, в связи с высокой частотой оптических волн, даже незначительные деформации световодов, вызванные дестабилизирующими воздействиями, приводят к паразитной модуляции фазы передаваемого излучения. Это определяет низкую устойчивость фазовых волоконно-оптических датчиков к дестабилизирующим воздействиям. [1]

Рисунок 1 - Классификация фазовых (интерферометрических) оптических датчиков

Фазовые (интерферометрические) датчики являются наиболее чувствительными к изменению показателей преломления и конструктивных размеров световода. Это обусловливает возможность эффективного измерения многих внешних воздействий, приводящих к индуцированному изменению показателя преломления, поперечных размеров и длины волоконного световода.

Наиболее широкое распространение получили фазовые датчики на основе интерферометра Маха - Цендера, однако  они имеют такие недостатки, как сложность оптической схемы, необходимость использования одномодовых волоконных световодов. Кроме того, такие датчики чувствительны к вибрациям. В целом фазовые (интерферометрические) датчики являются сложными оптическими преобразователями, практическая реализация которых в определенной мере сдерживается наличием фазовых шумов, возникающих из-за ухода частоты излучения лазерных источников и изменений эффективной длины пути оптических лучей в контрольном плече интерферометра. [2]

Интерферометр световолоконный автоматизированный ИСА-1

Рисунок 2 - Внешний вид интерферометра световолоконного автоматизированного ИСА-1

Поставляется ФГУП Всероссийским научно-исследовательским институтом оптико-физических измерений федерального агентства по техническому регулированию и метрологии РФ.

Состав интерферометра световолоконного автоматизированного ИСА-1:

Интерференционный блок 1 шт.;

Цифровая ПЗС-камера 1 шт.;

Плата управления пьезоактюатором 1 шт.;

Выносная оптическая головка 1 шт.;

Диск с программным обеспечением 1 шт.;

Кабели 3 шт.;

Интерферометр световолоконный автоматизированный ИСА-1 предназначен для измерения распределения показателя преломления объектов в микро- и нанодиапазоне на основе анализа двумерного распределения оптической разности хода (ОРХ) между прошедшим через исследуемый объект излучением и опорным излучением.

ИСА-1 может быть интегрирован в оптический канал обычного светового микроскопа.

Принцип действия прибора основан на интерференции световых пучков лазерного излучения, прошедшего через опорный канал и через предметный канал. В основе прибора лежит оптическая схема интерферометра Маха-Цендера. Для расшифровки интерферограмм в микроскопе реализован метод дискретного фазового сдвига (метод фазовых шагов). Фазовый сдвиг вносится при помощи управляемого от компьютера пьезоактюатора, на котором установлено зеркало опорного канала (пьезозеркало). Интерферограммы при различных положениях опорного зеркала с помощью ПЗС камеры ввода поступают в персональный компьютер, где производится их автоматическая обработка. В результате работы алгоритма реконструкции восстанавливается двумерное распределение ОРХ, на основе которого получаются данные о высоте профиля поверхности.

Результаты измерений в виде двумерных и трехмерных профилей, графиков сечений отображаются на экране монитора. Для управления вводом изображений и сдвигом пьезоактюатора и расшифровки интерферограмм используется программное обеспечение «WinPhast».

Технические характеристики интерферометра световолоконного автоматизированного ИСА-1 представлены в таблице ниже.

волоконный оптический датчик интерферометр

Таблица 1 - Технические характеристики

Список литературы

1.      Датчиковая аппаратура информационно - измерительных систем: Учебное пособие / Под редакцией Е. Е. Багдатьева, Ю. Н. Чернышова. Часть 1. - М.: ГОУ ВПО МГУЛ, 2008.

.        Волоконно - оптические датчики: Физические основы, вопросы расчета и применения. / В. И. Бусурин, Ю. Р. Носов. - М.: Энергоатомиздат, 1990.