нирования с использованием прямой частотной модуляции излучения полупроводникового лазера без применения фазового модулятора (рис. 6.6). Частота излучения одномодового полупроводникового лазера обычно пропорциональна изменению Инжекционного тока AI. При заданной разности Д/ оптической длины пути изменение частоты источника света в светоприемнике преобразуется в изменение фазы. При этом получается следующая зависимость:

А9 =

Ао)о =

(6.6)

где k - постоянная, определяемая типом полупроводникового лазера и равная приблизительно 1 ГГц/мА.

Как видно из формулы (6.6), изменением инжекционного тока можно компенсировать изменение фазы сигнала. На ток, инжектируемый в полупроводниковый лазер (рнс. 6.6), накладывается ток частотой оз (1 МГц), большей, чем частоты в полосе сигнала. Обратная связь организуется так, чтобы составляющая этой частоты в выходном сигнале светоприемника, обнаруживаемая с помощью двойного балансного смесителя, была равной нулю. Это приводит к тому, что рабочая точка устанавливается в точке В (см. рис. 6.4). В результате составляющая в выходном сигнале Р при постоянной т) выражается следующей формулой:

Р„»Л(т1)51п(грИ-г1.), (6.7)

поэтому в точке В (начало отсчета i:d + is) составляющая = = 0.

Как следует из формулы (6.7), значение Р в точке В наиболее чувствительно к изменению суммы i:d-f if. В этом случае, как видно из рис. 6.5, а, нет необходимости избавляться от постоянной составляющей выходного сигнала интерференционной системы, а следовательно (см. рис. 6.6), требуется только один светоприемник и тем самым упрощается оптическая система В схеме на рис. 6.6 сигнал температурного дрейфа, имеющий большую амплитуду по сравнению с выходным сигналом, передается по цепи обратной связи на фазовый модулятор света, выполненный из пьезоэлемента.

Оптическая система, представленная на рис. 6.6, содержит одномодовое волокно длиной Эми одномодовый полупроводниковый лазер со скрытой гетероструктурой («Хитати», HLP-3400 с интервалом когерентности около 10 м). При Л/ = 7,5 см посто-

* Строго говоря, в силу модуляции, а также иеоптимальной интенсивности полупроводникового лазера возникает некоторый дрейф, правда, вне диапазона сигнала. Прн необходимости устранения дрейфа достаточно установить рабочую точку по тому же принципу, что и в основной оптической системе на рнс. 6.5, а.

3 t 5 В 1 д 9 Составляющая постоянного тока на Выходе сВетоприемного устройства

Рис. 6.7. Результаты измерений акустической волны в воде с помощью системы, представленной на рис. 6.6

1мин

- Обратная связь

Рис. 6.8. Коррекция дрейфа с помощью прямой частотной модуляции излучения светодиода

ВО 50

50 20 О

I -50

0,01 0,1 1,0 Частота,кГц

Рис. 6.9. Теоретические ограничения чувствительности волоконно-оптического гидрофона

Волокно с пластиковой оболочкой

янная k оказалась равной 1 ГГц/мА. На рис. 6.7 приведены результаты применения этой системы в гидроакустических измерениях. Верхняя кривая (рис. 6.7, а) - сигнал генератора звуковой волны частотой 40 кГц, а нижняя кривая - изменение А/, т. е. выходной сигнал датчика. Чувствительность составила примерно 10-5 рад/Гц2. Здесь амплитуда на нижней кривой 0,5 мА соответствует изменению фазы в пределах 0,79 рад.

На рис. 6.7, б приведена кривая эффективных значений выходного сигнала в случае принудительных колебаний интенсив-

ности света, достигающего светоприемиика. Кривая подтверждает, что с помощью нулевого метода обеспечивается устойчивость масштабного коэффициента. Кроме того, на рис. 6.8 поясняется стабилизация составляющей дрейфа путем подачи ее на полупроводниковый лазер по цепи обратной связи (с учетом характеристики прямой частотной модуляции излучения полупроводникового лазера). Из рисунка можно заметить, что для этого рода датчиков большую проблему составляет температурный дрейф и, следовательно, требуется принимать меры по его устранению.

Рассмотренная выше характеристика прямой частотной модуляции излучения светодиодов довольно часто используется для разработки датчиков, и ведутся исследования по расширению области ее применения.

Гидрофон на волоконно-оптическом интерферометре. В предыдущей рубрике приводился пример гидроакустических измерений. Но с тех пор как началось изучение волоконно-оптических датчиков интерферометрического типа, измерение гидроакустических колебаний Исследовалось многими специалистами. Их привлекало то, что посредством оптического волокна в виде кольца со многими витками можно добиться весьма высокой чувствительности, а различными способами намотки витков - требуемой характеристики направленности.

Изменение фазы распространяющегося света в зависимости от звукового давления различно для разных материалов покрытия оптического волокна и его толщины. Дело в том, что материалы покрытия имеют разный модуль Юнга и коэффициент Пуассона, в результате разными оказываются и изменения показателя преломления, определяемые изменением длины волокна и его фотоупругостью. Хорошим материалом для покрытия оптического волокна считается полиэтилен, нейлон, хайтрел и другие, позволяющие получать чувствительность примерно 100 рад/(атм-м). На рис. 6.9 приведены расчетные значения предела чувствительности (граница дробового шума светоприемиика) интерферометра с гомодинированием (см. рис. 6.5). Видно, что вследствие удлинения волокна достигнута чувствительность, значительно более высокая, чем у известного высокочувствительного гидрофона Н56. К тому же чувствительность волоконно-оптического гидрофона увеличивается нелинейно в зависимости от длины волокна, что связано с потерями в нем.

На рис. 6.10 приведены характеристики гидрофона на волоконно-оптическом интерферометре. Использовалось кольцо диаметром 2,5 см из оптического волокна. Подробно исследовались материалы покрытия, способы их нанесения и влияние на чувствительность. В результате выяснилось, что металлическое покрытие делает волокно нечувствительным к звуковому давлению, а имеются и такие покрытия, которые снижают чувстви-

-11

g 10

-Расчет

й л Измерения

Ишереш

Расчет

W 10

Частота, кГц

Рис, 6,10, Частотная характеристика (а) и диаграмма направленности (б) гидрофона на волоконно-оптическом интерферометре

тельность волокна к температуре. Эти покрытия могут оказаться полезными для волокон, соединяющих чувствительную часть гидрофона и его блок обработки сигнала. На рис. 6.11 приведены некоторые результаты исследований.

Кроме того, изучается структура, определяющая градиент звукового давления при некотором смещении в пространстве двух оптических волокон, и процедура детектирования ультразвуковых колебаний частотой 500 кГц и выше.

Следует отметить, что аналогичным образом можно измерять и атмосферные акустические колебания.

Другие типы датчиков на интерферометре Маха-Цендера.

На рис. 6.12 показан спектрофон, выполненный как датчик на интерферометре Маха - Цендера. Это устройство для измерения поглощения света газообразными веществами. При воздействии на газ в ячейке (в катушке) светом, интенсивность которого модулирована с помощью прерывателя.

Толщина покрытия, мкм

7 Заказ № 872

Рис. 6.11. Зависимость чувствительности волокна к звуковому давлению от материала покрытия

Окно

От гелий-неоноВого лазера из caJF

и=},39мкм)

От гелийгнеонокго лазера

Катушка из оптического волокна

Ответбшпель

Светоприетное устройство

Отбетбитель

Котенсатор

Анализатор спектра

Частота, Гц

/ irt

Рис. 6.12. Волокоиио-оптический спектрофои

газ вследствие поглощения света нагревается и расширяется, а значит, расширяется и ячейка. Это изменение объема ячейки измеряется с помощью высокочувствительного волоконно-оптического интерферометра. На рис. 6.12, а показана оптическая система, а на рис. 6.12, б - кривая частотного изменения выходного сигнала при поглощении света смесью воздуха с метаном. Частота прерывателя 75 Гц. Длина волокна 9,2 м, диаметр катушки 2,5 см. Лазер - гелий-неоновый. В случае применения, например, аргонового лазера с излучением мощностью 500 мВт и длиной волны 496,5 нм можно измерять поглощение света га-зоц NO2 концентрацией вплоть до 50 частей на миллион. /Исследовался высокочувствительный акселерометр, на основе нтерферометра Маха- Цендера, измеряющий сжатие и расширение стержня из упругого материала с намотанным на него оптическим волокном и п)икрепленным грузом, испытывающим ускорение. Сообщается, что чувствительность подобного акселерометра 1000 рад/g и разрешающая способность примерно 1 MKg, что позволяет измерять ускорения порядка 10~° g. Кроме того, создан амперметр с использованием джоулева тепла при протекании электрического тока по оптическому волокну с алюминиевым покрытием. Устройство имеет чувствительность приблизительно 5-10~® А на 1 м волокна при частоте тока 10 Гц. Нанесением на оптическое волокно покрытия из электрострик-ционного материала можно аналогичным образом создать измеритель электрического поля. При покрытии, например, поли-винилиденфторидом PVF2 удалось достичь чувствительности примерно 4 рад/В на 1 м оптического волокна. На рис. 6.13, а приведена схема определения динамической характеристики тензометра, содержащего стальную трубку с протянутым внутри нее одномодовым оптическим волокном. На рис. 6.13, б сплошной кривой показана характеристика, которая получена при

Фазовращатель

Измеритель де<рармации

ВибратО)

Генератор сигнала

Сбетоприемное устройстбо

Мостовой усилитель

Анализатор спектра

Усилитель Высокого напряжения

Интегратор , I Усилитель

О 50 100 150 200 250 Частота, Ги,

Рис. 6.13. Структура волоконно-оптического измерителя деформации (а) и результаты измерения динамического отклика (о)

компенсации дрейфа низкой частоты с помощью регулятора фазы (ПКФА - первичный кристалл фосфорно-кислого аммония) световой волны. Выходной сигнал обычного тензодатчика показан на этом же рисунке штриховой линией, которая хорошо согласуется с кривой для волоконно-оптического датчика.

Вышеприведенные структуры иллюстрируют, насколько широко исследуется применение интерферометра Маха - Цендера.

6.3.3. Интерферометр Майкельсона. Волоконно-оптический интерферометр Майкельсона также исследуется весьма активно. В частности, лазерный доплеровский измеритель скорости, описанный в гл. 5, в принципе может рассматриваться как датчик на интерферометре Майкельсона.

На рис. 6.14, а представлена схема измерителя магнитного поля постоянного тока, построенная на основе указанных иссле-