RU2498226C1

RU2498226C1 - Fiber-optic sensor system

Info

Publication number: RU2498226C1
Application number: RU2012122691/28A
Authority: RU
Inventors: Андрей Анатольевич Ветров; Александр Николаевич Сергушичев; Тимофей Дмитриевич Коцюбинский
Priority date: 2012-06-01
Filing date: 2012-06-01
Publication date: 2013-11-10

Abstract

FIELD: instrument engineering.

SUBSTANCE: device comprises a semiconductor laser, an interferometric sensor equipped with a sensitive membrane, a fiber-optic splitter of the single mode optical fibers, two photodetectors, an electrical signal amplifier, two automatic regulators, a thermostatic Peltier element thermally coupled to the semiconductor laser and the registration element.

EFFECT: compensation of changes in the radiation power of semiconductor laser.

2 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к оптико-электронному приборостроению и может быть использовано в конструкциях волоконно-оптических преобразователей физических величин, предусматривающих интерференционный съем измеряемого сигнала. Наиболее эффективно его использовать в конструкции приборов микротехнологического исполнения, особенно микроминиатюрных приемников звуковых сигналов (микрофонов, гидрофонов, виброфонов, фонендоскопов и т.п.).The invention relates to optical-electronic instrumentation and can be used in the construction of fiber-optic converters of physical quantities, providing for the interference removal of the measured signal. It is most effectively used in the design of microtechnological devices, especially microminiature receivers of sound signals (microphones, hydrophones, vibrophones, phonendoscopes, etc.).

Известна волоконно-оптическая сенсорная система (ВОСС), содержащая широкополосный источник излучения, волоконный световод, выполненный с образованием измерительного и эталонного оптических каналов, поляризационный датчик межмодовой интерференции, фотоприемник, подключенный к блоку обработки и отображения информации, сканирующий деформатор, установленный на волоконный световод, и блок управления сканирующим деформатором (RU 2036419, G01B 21/00, 1995).Known fiber optic sensor system (BOSS), containing a broadband radiation source, a fiber optic fiber, formed with the formation of a measuring and reference optical channels, a polarization intermodal interference sensor, a photodetector connected to an information processing and display unit, a scanning deformer mounted on a fiber optic fiber, and a control unit for the scanning deformer (RU 2036419, G01B 21/00, 1995).

Однако данные конструкции являются громоздкими и обладают низкой чувствительностью из-за съема информации в виде изменения амплитуды используемого информационного сигнала.However, these designs are bulky and have low sensitivity due to the removal of information in the form of a change in the amplitude of the used information signal.

Среди специализированных ВОСС известна конструкция, предназначенная для измерения температуры, содержащая совместно выполненные на базе волоконно-оптического лазера (ВОЛ) каналы возбуждения и интерференционного съема информации, микрорезонатор, модулирующий излучение ВОЛ, фотоприемник и блок обработки и отображения информации (RU 2110049, G01K 11/32, G02B 6/00, 1998). Для повышения чувствительности, точности и стабильности системы один конец световода ВОЛ сопряжен с модифицированным автоколлиматором, расположенным между этим торцом и микрорезонатором с формированием в плоскости отражающей поверхности микрорезонатора светового пятна заданных размеров, а второй является выходным (RU 2161783, G01K 11/32, 2001).Among specialized VOSSs, there is a known design for measuring temperature, containing excitation and interference data acquisition channels jointly made on the basis of fiber optic laser (VOL), a microcavity modulating VOL radiation, a photodetector and an information processing and display unit (RU 2110049, G01K 11 / 32, G02B 6/00, 1998). To increase the sensitivity, accuracy and stability of the system, one end of the VOL fiber is coupled to a modified autocollimator located between this end and the microcavity with the formation of a light spot of a given size in the plane of the reflective surface of the microcavity, and the second is the output (RU 2161783, G01K 11/32, 2001) .

Однако данные технические решения сложны в изготовлении и эксплуатации, так как требуют регулярной юстировки узлов микрорезонатора и коллиматора. Кроме того, они имеют преимущественной сферой использования измерение температуры.However, these technical solutions are difficult to manufacture and operate, since they require regular alignment of the microresonator and collimator assemblies. In addition, they have the predominant use of temperature measurement.

Известна также БОСС для измерения перемещений, содержащая источник оптического излучения, интерферометрический сенсор микроперемещений, волоконно-оптический разветвитель, выполненный из одномодовых оптических волокон, фотоприемник, оснащенный полосовым светофильтром, управляющее устройство и пьезоэлектрический исполнительный механизм, установленный с возможностью перемещения интерферометрического сенсора, где выход источника оптического излучения подключен к первому входу волоконно-оптического разветвителя, второй вход волоконно-оптического разветвителя подключен к интерферометрическому сенсору для возможности передачи света от источника оптического излучения и приема оптического интерференционного сигнала от сенсора, выход волоконно-оптического разветвителя подключен к фотоприемнику, выход фотоприемника подключен ко входу управляющего устройства, а выход управляющего устройства подключен к электрическому входу пьезоэлектрического исполнительного механизма (Davis P.G., Busch I.J., Maurer G.S. Fiber Optic Displacement Sensor. - Fourth Pacific Northwest Optic Sensor Workshop, May 6,1998 SPIE VOLTBD Courtesy Optiphase, Inc.).Also known is a BOSS for measuring displacements, comprising a source of optical radiation, an interferometric sensor for micromotion, a fiber optic splitter made of single-mode optical fibers, a photodetector equipped with a band-pass filter, a control device and a piezoelectric actuator mounted to move the interferometric sensor, where the source output optical radiation is connected to the first input of the fiber optic splitter, the second input of the fiber a nano-optical splitter is connected to an interferometric sensor for the possibility of transmitting light from an optical radiation source and receiving an optical interference signal from a sensor, the output of a fiber-optic splitter is connected to a photodetector, the output of a photodetector is connected to the input of the control device, and the output of the control device is connected to the electrical input of the piezoelectric Actuator (Davis PG, Busch IJ, Maurer GS Fiber Optic Displacement Sensor. - Fourth Pacific Northwest Optic Sensor Workshop, May 6.1998 SPIE VOLTBD Courtesy Optiphase, Inc.).

Недостатком данного устройства является громоздкость узла перемещения интерферометрического сенсора и узкий динамический диапазон (не более 200 мкм) измеряемых микроперемещений.The disadvantage of this device is the bulkiness of the displacement unit of the interferometric sensor and the narrow dynamic range (not more than 200 μm) of the measured micromotion.

Известна также ВОСС, содержащая источник оптического излучения с длиной когерентности 80-120 мкм, интерферометрический сенсор, оснащенный чувствительной мембраной, волоконно-оптический разветвитель, выполненный из одномодовых оптических волокон, фотодетектор и усилитель электрического сигнала, где выход источника оптического излучения подключен к первому входу волоконно-оптического разветвителя, второй вход волоконно-оптического разветвителя подключен к интерферометрическому сенсору для возможности передачи света от источника оптического излучения и приема оптического интерференционного сигнала от сенсора, выход волоконно-оптического разветвителя связан с оптическим входом фотодетектора, а выход фотодетектора подключен к входу усилителя электрического сигнала. Для автоподстройки положения рабочей точки волоконно-оптическая сенсорная система оснащена также двухканальным интерферометрическим преобразователем опорного сигнала, при этом усилитель электрического сигнала связан с входами первого и второго каналов интерферометрического преобразователя, а оптический выход интерферометрического преобразователя выполнен с образованием оптической обратной связи данного преобразователя с интерферометрическим сенсором (US 5094534, G01B 9/02, 1992).Also known is VOSS, which contains an optical radiation source with a coherence length of 80-120 μm, an interferometric sensor equipped with a sensitive membrane, a fiber optic splitter made of single-mode optical fibers, a photo detector and an electric signal amplifier, where the output of the optical radiation source is connected to the first fiber input optical splitter, the second input of the fiber optic splitter is connected to an interferometric sensor for the possibility of transmitting light from an optical source Cesky radiation and receiving the optical interference signal from the sensor, the output of the fiber optic splitter is connected to the optical input of the photodetector and the photodetector output is connected to the input of an electrical signal amplifier. To automatically adjust the position of the operating point, the fiber-optic sensor system is also equipped with a two-channel interferometric converter of the reference signal, while the electric signal amplifier is connected to the inputs of the first and second channels of the interferometric converter, and the optical output of the interferometric converter is formed with the formation of optical feedback of this converter with an interferometric sensor ( US 5094534, G01B 9/02, 1992).

Недостатком данного устройства является узкий частотный диапазон чувствительности, недостаточный, в частности, для работы в качестве микрофона, что усугубляется инерционностью элементов двухканального интерферометрического преобразователя. Кроме того, оно является громоздким и сложным в изготовлении и эксплуатации, требует тщательной начальной и периодической юстировки оптических каналов.The disadvantage of this device is the narrow frequency range of sensitivity, insufficient, in particular, to work as a microphone, which is exacerbated by the inertia of the elements of a two-channel interferometric transducer. In addition, it is cumbersome and difficult to manufacture and operate, requires careful initial and periodic alignment of the optical channels.

Известна также ВОСС, содержащая лазерный источник оптического излучения с высокой когерентностью, интерферометрический сенсор, оснащенный чувствительной мембраной, селектор, коммутатор, не менее двух оптико-электронных преобразователей (ОЭП), каждый из которых включает волоконно-оптический разветвитель, выполненный из одномодовых оптических волокон, фотодетектор и усилитель электрического сигнала, вход которого подключен к выходу фотодетектора, а выходы подключены к соответствующим входам селектора через детекторы среднего уровня электрического сигнала для автоматического выбора ОЭП, с которого производится съем текущей информации, выход селектора подключен к управляющему входу коммутатора, информационные входы коммутатора соединены с выходами усилителей электрического сигнала соответствующих оптико-электронных преобразователей, при этом первые входы волоконно-оптических разветвителей связаны с лазерным источником оптического излучения через делитель оптического излучения, интерферометрический сенсор подключен ко вторым входам волоконно-оптических разветвителей, которые выполнены с возможностью передачи света в интерферометрический сенсор и приема оптического интерференционного сигнала, выходы волоконно-оптических разветвителей связаны с оптическими входами фотодетекторов, причем торцы вторых входов волоконно-оптических разветвителей оптико-электронных преобразователей расположены на разных расстояниях до светоотражающей поверхности мембраны интерферометрического сенсора в окрестности ±0,2λ от l_н, причемAlso known is VOSS, which contains a laser source of optical radiation with high coherence, an interferometric sensor equipped with a sensitive membrane, a selector, a switch, at least two optoelectronic converters (OED), each of which includes a fiber optic splitter made of single-mode optical fibers, a photodetector and an electric signal amplifier, the input of which is connected to the output of the photodetector, and the outputs are connected to the corresponding inputs of the selector through mid-level detectors an electric signal for automatically selecting the OEP from which current information is taken, the selector output is connected to the control input of the switch, the information inputs of the switch are connected to the outputs of the amplifiers of the electric signal of the corresponding optoelectronic converters, while the first inputs of the fiber optic couplers are connected to a laser source of optical radiation through an optical radiation divider, an interferometric sensor is connected to the second inputs of fiber optic times couplers that are capable of transmitting light to an interferometric sensor and receiving an optical interference signal, the outputs of the fiber optic couplers are connected to the optical inputs of the photodetectors, the ends of the second inputs of the fiber optic couplers of the optoelectronic converters being located at different distances from the reflective surface of the membrane of the interferometric sensor in a neighborhood of ± 0.2λ from l _n , and

где l_н - номинальное значение расстояния от торца оптического волокна второго входа волоконно-оптического разветвителя до светоотражающей поверхности мембраны интерферометрического сенсора (мкм), соответствующее оптимальному положению рабочей точки ВОСС;where l _n is the nominal value of the distance from the end of the optical fiber of the second input of the fiber optic splitter to the reflective surface of the membrane of the interferometric sensor (μm), corresponding to the optimal position of the operating point VOSS;

λ - длина волны оптического излучения, мкм;λ is the wavelength of optical radiation, microns;

n - нечетное число из интервала [1001-3001] (RU 2006115899, G01B 9/00, 9/02, 2006).n is an odd number from the interval [1001-3001] (RU 2006115899, G01B 9/00, 9/02, 2006).

Однако такая система имеет низкую надежность, поскольку из-за произвольного задания начального положения рабочих точек ОЭП в окрестности ±0,2λ все они могут значительно отличаться от номинального положения, и, кроме того, в результате паразитных воздействий на интерферометрический сенсор все рабочие точки могут значительно смещаться от номинального положения. Кроме того, устройство является громоздким и сложным в изготовлении и эксплуатации, требует тщательной юстировки оптических каналов.However, such a system has low reliability, since due to the arbitrary setting of the initial position of the working points of the EIA in the vicinity of ± 0.2λ, all of them can significantly differ from the nominal position, and, in addition, as a result of spurious effects on the interferometric sensor, all operating points can significantly move from the nominal position. In addition, the device is cumbersome and difficult to manufacture and operate, requires careful alignment of the optical channels.

Наиболее близкой к заявляемой по технической сущности и достигаемому результату является ВОСС, содержащая лазерный источник оптического излучения с высокой когерентностью, сенсор, оснащенный чувствительной мембраной, и оптико-электронный преобразователь (ОЭП), включающий волоконно-оптический разветвитель, выполненный из одномодовых оптических волокон, фотодетектор и усилитель электрического сигнала, в которой выход источника оптического излучения подключен к первому входу волоконно-оптического разветвителя, второй вход волоконно-оптического разветвителя подключен к сенсору с возможностью передачи света от источника оптического излучения к сенсору, а выход фотодетектора подключен к усилителю электрического сигнала, причем выход волоконно-оптического разветвителя непосредственно связан с оптическим входом фотодетектора, а подключение волоконно-оптического разветвителя к сенсору выполнено из расчетаThe closest to the claimed technical essence and the achieved result is VOSS containing a laser source of optical radiation with high coherence, a sensor equipped with a sensitive membrane, and an optoelectronic converter (OEP), including a fiber optic splitter made of single-mode optical fibers, a photo detector and an electric signal amplifier, in which the output of the optical radiation source is connected to the first input of the fiber optic splitter, the second input is fiber the optical splitter is connected to the sensor with the possibility of transmitting light from the optical radiation source to the sensor, and the photodetector output is connected to an electric signal amplifier, the output of the fiber optic splitter is directly connected to the optical input of the photodetector, and the connection of the fiber optic splitter to the sensor is performed based on

где l - расстояние от торца оптического волокна второго входа волоконно-оптического разветвителя до светоотражающей поверхности мембраны интерферометрического сенсора, мкм;where l is the distance from the end of the optical fiber of the second input of the fiber optic splitter to the reflective surface of the membrane of the interferometric sensor, microns;

n - нечетное число из интервала [1001-3001] для одновременного приема оптического интерференционного сигнала от сенсора и передачи этого сигнала к входу фотодетектора. Для регулирования положения рабочей точки данная система оснащена полупроводниковым лазером и контуром прецизионного регулирования положения рабочей точки с управляющим воздействием на температуру полупроводникового лазера по статической составляющей сигнала обратной связи от фотодетектора, в которой в качестве терморегулирующего органа использован элемент Пельтье (RU 2279112, G02F 1/00, G01B 9/00, 2006).n is an odd number from the interval [1001-3001] for simultaneously receiving an optical interference signal from the sensor and transmitting this signal to the photodetector input. To regulate the position of the operating point, this system is equipped with a semiconductor laser and a loop for precise regulation of the position of the operating point with a control action on the temperature of the semiconductor laser by the static component of the feedback signal from the photodetector, in which the Peltier element is used as a thermoregulating element (RU 2279112, G02F 1/00 G01B 9/00, 2006).

Однако такая ВОСС обладает ограниченным диапазоном работоспособности, поскольку при изменении температуры полупроводникового лазера изменяется не только длина волны, но и мощность его оптического излучения, что приводит к снижению «видности» интерференционной картины.However, such a VOSS has a limited range of operability, since when the temperature of a semiconductor laser changes, not only the wavelength but also the power of its optical radiation changes, which leads to a decrease in the “visibility” of the interference pattern.

Технической задачей предлагаемого устройства является расширение диапазона работоспособности за счет стабилизации мощности излучения полупроводникового лазера при изменении его температуры.The technical task of the proposed device is to expand the range of performance by stabilizing the radiation power of a semiconductor laser when its temperature changes.

Решение указанной технической задачи заключается в том, что в конструкцию ВОСС, содержащую полупроводниковый лазер, интерферометрический сенсор, оснащенный чувствительной мембраной, волоконно-оптический разветвитель, выполненный из одномодовых оптических волокон, фотодетектор, усилитель электрического сигнала, автоматический регулятор и терморегулирующий элемент Пельтье, установленный с возможностью воздействия на температуру полупроводникового лазера, в которой выход полупроводникового лазера подключен к первому входу волоконно-оптического разветвителя, интерферометрический сенсор подключен ко второму входу волоконно-оптического разветвителя с возможностью передачи света от полупроводникового лазера и приема оптического интерференционного сигнала от интерферометрического сенсора, выход волоконно-оптического разветвителя связан с входом фотодетектора, выход фотодетектора подключен к усилителю электрического сигнала и к входу автоматического регулятора, выход которого подключен к терморегулирующему элементу Пельтье, вносятся следующие изменения:The solution to this technical problem lies in the fact that the VOSS design, which contains a semiconductor laser, an interferometric sensor equipped with a sensitive membrane, a fiber optic splitter made of single-mode optical fibers, a photo detector, an electric signal amplifier, an automatic regulator, and a Peltier thermoregulator installed with the possibility of influencing the temperature of the semiconductor laser, in which the output of the semiconductor laser is connected to the first input of fibers o-optical splitter, the interferometric sensor is connected to the second input of the optical fiber splitter with the possibility of transmitting light from a semiconductor laser and receiving an optical interference signal from the interferometric sensor, the output of the optical fiber splitter is connected to the photodetector input, the photodetector output is connected to an electric signal amplifier and to the input of the automatic controller, the output of which is connected to the Peltier temperature control element, the following changes are made:

1) в качестве волоконно-оптического разветвителя используется разветвитель с двумя входами и двумя выходами;1) a splitter with two inputs and two outputs is used as a fiber optic splitter;

2) БОСС дополнительно содержит второй фотодетектор и второй автоматический регулятор, причем второй выход разветвителя связан с входом второго фотодетектора, выход которого через второй автоматический регулятор подключен к полупроводниковому лазеру.2) BOSS additionally contains a second photodetector and a second automatic regulator, the second output of the splitter connected to the input of the second photodetector, the output of which is connected to a semiconductor laser through a second automatic regulator.

Внесенные изменения позволяют обеспечить стабилизацию мощности излучения полупроводникового лазера в широком диапазоне изменения его температуры за счет управления током питания полупроводникового лазера по сигналу обратной связи от второго фотодетектора. Расширение диапазона изменения температуры полупроводникового лазера приводит к расширению диапазона регулирования положения рабочей точки системы и, следовательно, к расширению диапазона работоспособности системы.The introduced changes make it possible to stabilize the radiation power of a semiconductor laser in a wide range of changes in its temperature by controlling the supply current of the semiconductor laser by the feedback signal from the second photodetector. The expansion of the temperature range of the semiconductor laser leads to the expansion of the range of regulation of the position of the operating point of the system and, consequently, to the expansion of the range of system operability.

На фиг.1 приведена блок-схема волоконно-оптической сенсорной системы; на фиг.2 представлены экспериментально измеренные зависимости параметров системы от температуры полупроводникового лазера; в таблице указаны значения пороговой чувствительности системы при различном положении рабочей точки.Figure 1 shows a block diagram of a fiber optic sensor system; figure 2 presents the experimentally measured dependence of the system parameters on the temperature of the semiconductor laser; the table shows the threshold sensitivity of the system at different positions of the operating point.

Волоконно-оптическая сенсорная система (фиг.1) содержит полупроводниковый лазер 1, интерферометрический сенсор 2, оснащенный чувствительной мембраной 3, волоконно-оптический разветвитель 4, выполненный из одномодовых оптических волокон, первый фотодетектор 5, усилитель 6 электрического сигнала, блок регистрации 7, первый автоматический регулятор 8, терморегулирующий элемент Пельтье 9, второй фотодетектор 10 и второй автоматический регулятор 11.The fiber optic sensor system (Fig. 1) contains a semiconductor laser 1, an interferometric sensor 2 equipped with a sensitive membrane 3, a fiber optic splitter 4 made of single-mode optical fibers, a first photodetector 5, an electric signal amplifier 6, a recording unit 7, the first automatic regulator 8, Peltier temperature-regulating element 9, second photodetector 10 and second automatic regulator 11.

Выход полупроводникового лазера 1 подключен к первому входу волоконно-оптического разветвителя 4, второй вход волоконно-оптического разветвителя 4 подключен к интерферометрическому сенсору 2 с возможностью передачи излучения от полупроводникового лазера 1 и приема оптического интерференционного сигнала от сенсора 2. Первый выход волоконно-оптического разветвителя 4 связан с входом первого фотодетектора 5, а выход первого фотодетектора 5 подключен к усилителю 6 электрического сигнала, к выходу которого подключено соответствующее регистрирующее устройство 7 (осциллограф, компьютер, световой индикатор, динамик и т.д.). Вход первого автоматического регулятора 8 связан с выходом первого фотодетектора 5, выход первого автоматического регулятора 8 связан с терморегулирующим элементом Пельтье 9, установленным с возможностью изменения температуры полупроводникового лазера 1. Второй выход волоконно-оптического разветвителя 4 связан с входом второго фотодетектора 10, выход которого через второй автоматический регулятор 11 подключен к входу питания полупроводникового лазера 1.The output of the semiconductor laser 1 is connected to the first input of the fiber optic splitter 4, the second input of the fiber optic splitter 4 is connected to the interferometric sensor 2 with the possibility of transmitting radiation from the semiconductor laser 1 and receiving the optical interference signal from the sensor 2. The first output of the fiber optic splitter 4 connected to the input of the first photodetector 5, and the output of the first photodetector 5 is connected to an amplifier 6 of an electric signal, the output of which is connected to the corresponding register iruyuschee device 7 (oscilloscope, computer, LED, speaker, etc.). The input of the first automatic controller 8 is connected to the output of the first photodetector 5, the output of the first automatic controller 8 is connected to a Peltier temperature-regulating element 9, which is able to change the temperature of the semiconductor laser 1. The second output of the fiber optic splitter 4 is connected to the input of the second photodetector 10, the output of which the second automatic controller 11 is connected to the power input of the semiconductor laser 1.

ВОСС работает следующим образом. Оптическое излучение от полупроводникового лазера 1 поступает на первый вход волоконно-оптического разветвителя 4, и далее с его второго входа - на интерферометрический сенсор 2. Часть этого излучения отражается от выходного торца оптического волокна, а другая часть излучения проходит расстояние l и, отразившись от чувствительной мембраны 3 интерферометрического сенсора 2, поступает в обратном направлении в указанный торец того же оптического волокна. В связи с тем что установочное значение расстояния l не превышает половины длины когерентности излучения полупроводникового лазера 1, указанные световые потоки складываются когерентно, формируя, таким образом, интерференционную картину. Интерференционная картина с первого выхода волоконно-оптического разветвителя 4 поступает на первый фотодетектор 5, с которого принимается усилителем 6 электрического сигнала и поступает с выхода последнего на блок регистрации 7.VOSS works as follows. The optical radiation from the semiconductor laser 1 is fed to the first input of the fiber optic splitter 4, and then from its second input to the interferometric sensor 2. Part of this radiation is reflected from the output end of the optical fiber, and the other part of the radiation travels a distance l and, reflected from the sensitive the membrane 3 of the interferometric sensor 2, enters in the opposite direction to the specified end of the same optical fiber. Due to the fact that the installation value of the distance l does not exceed half the coherence length of the radiation of the semiconductor laser 1, these light fluxes are added coherently, thereby forming an interference pattern. The interference pattern from the first output of the fiber optic splitter 4 enters the first photodetector 5, from which it is received by the electric signal amplifier 6 and enters from the output of the latter to the recording unit 7.

Оптимальное положение рабочей точки системы на статической характеристике соответствует условию, когда торец оптического волокна в интерферометрическом сенсоре 2 установлен на номинальном расстоянии от чувствительной мембраны 3, определяемом формулой (1), а именно l_н=0,125λn, при нечетном значении n в диапазоне [1001÷3001]. Статическая характеристика представляет собой установившееся значение сигнала на выходе первого фотодетектора в зависимости от положения рабочей точки при отсутствии помехи. Результаты испытания вариантов целевых конструкций с полупроводниковыми лазерами при длине волны излучения λ=1,55 и 1,30 мкм представлены в табл.1. Как видно из таблицы, наилучшая пороговая чувствительность образцов ВОСС достигается при оптимальном положении рабочей точки системы. В этом случае пороговая чувствительность составляет 0,008÷0,01 нм при λ=1,55 мкм и 0,005÷0,006 нм при λ=1,30 мкм. При выходе за указанный диапазон изменения n чувствительность системы уменьшается за счет потери контраста интерференционной картины. При четных значениях n система нечувствительна из-за попадания рабочей точки на нечувствительный участок косинусоидальной интерференционной зависимости выходного сигнала системы от значения l.The optimal position of the operating point of the system on the static characteristic corresponds to the condition when the end face of the optical fiber in the interferometric sensor 2 is installed at a nominal distance from the sensitive membrane 3 defined by formula (1), namely l _n = 0.125λn, with an odd value of n in the range [1001 ÷ 3001]. The static characteristic is the steady-state value of the signal at the output of the first photodetector, depending on the position of the operating point in the absence of interference. The results of testing variants of target designs with semiconductor lasers at a radiation wavelength of λ = 1.55 and 1.30 μm are presented in Table 1. As can be seen from the table, the best threshold sensitivity of the BOSS samples is achieved at the optimal position of the operating point of the system. In this case, the threshold sensitivity is 0.008 ÷ 0.01 nm at λ = 1.55 μm and 0.005 ÷ 0.006 nm at λ = 1.30 μm. If you go beyond the specified range of variation n, the sensitivity of the system decreases due to loss of contrast in the interference pattern. For even values of n, the system is insensitive due to the working point falling on the insensitive part of the cosine interference dependence of the system output signal on the value of l.

В условиях действия на интерферометрический сенсор 2 внешних помех (температуры, давления, вибрации и др.), происходит смещение чувствительной мембраны от торца оптического волокна относительно номинального расстояния, поэтому для расширения диапазона работоспособности системы необходимо регулирование положения рабочей точки. Изменение положения рабочей точки в интерферометрических системах возможно за счет изменения расстояния l или перестройки длины волны λ лазерного излучения. В данной системе регулирование положения рабочей точки основано на известной зависимости длины волны излучения полупроводникового лазера от его температуры. Такое регулирование осуществляет первый автоматический регулятор 8 и терморегулирующий элемент Пельтье 9, установленный с возможностью изменения температуры полупроводникового лазера 1. На первый автоматический регулятор 8 подается статическая составляющая сигнала первого фотодетектора 5, которая пропорциональна положению рабочей точки на статической характеристике ВОСС. В первом автоматическом регуляторе 8 формируется управляющий сигнал, пропорциональный отклонению рабочей точки от оптимального положения, который управляет током терморегулирующего элемента Пельтье 9. Изменение температуры полупроводникового лазера 1 терморегулирующим элементом Пельтье приводит к изменению длины волны λ его излучения относительно номинала для компенсации отклонения рабочей точки от оптимального положения.Under conditions of external interference (temperature, pressure, vibration, etc.) acting on the interferometric sensor 2, the sensitive membrane is displaced from the end of the optical fiber relative to the nominal distance, therefore, to expand the range of the system’s operability, it is necessary to regulate the position of the operating point. A change in the position of the operating point in interferometric systems is possible by changing the distance l or by tuning the wavelength λ of the laser radiation. In this system, the regulation of the position of the operating point is based on the known dependence of the radiation wavelength of a semiconductor laser on its temperature. Such regulation is carried out by the first automatic controller 8 and the Peltier temperature-regulating element 9, installed with the possibility of changing the temperature of the semiconductor laser 1. The first automatic controller 8 is supplied with a static component of the signal of the first photodetector 5, which is proportional to the position of the operating point on the static characteristic of BOSS. In the first automatic controller 8, a control signal is generated proportional to the deviation of the operating point from the optimal position, which controls the current of the Peltier thermoregulating element 9. A change in the temperature of the semiconductor laser 1 by the Peltier thermoregulating element leads to a change in the wavelength λ of its radiation relative to the nominal value to compensate for the deviation of the working point from the optimal provisions.

Изменение температуры полупроводникового лазера 1 приводит к изменению мощности его излучения относительно номинала. При увеличении температуры полупроводникового лазера мощность его излучения падает, что приводит к снижению «видности» интерференционной картины и, следовательно, к ухудшению чувствительности системы. Экспериментально установлено, что при «видности» интерференционной картины менее 0,5 система становится неработоспособной. Для расширения диапазона работоспособности системы производится стабилизация мощности излучения полупроводникового лазера 1 за счет регулировки тока питания полупроводникового лазера 1. Для контроля мощности лазерного излучения, введенного в оптическое волокно, через второй выход волоконно-оптического разветвителя 4 часть лазерного излучения отводится на вход второго фотодетектора 10, на выходе которого формируется сигнал, пропорциональный мощности излучения полупроводникового лазера 1. Сигнал со второго фотодетектора 10 подается на второй автоматический регулятор 11, который регулирует ток питания полупроводникового лазера 1 таким образом, чтобы компенсировать изменение мощности его излучения относительно номинала.Changing the temperature of the semiconductor laser 1 leads to a change in the power of its radiation relative to the nominal value. With increasing temperature of a semiconductor laser, its radiation power decreases, which leads to a decrease in the "visibility" of the interference pattern and, consequently, to a deterioration in the sensitivity of the system. It was experimentally established that when the "visibility" of the interference pattern is less than 0.5, the system becomes inoperative. To expand the range of the system’s operability, the radiation power of the semiconductor laser 1 is stabilized by adjusting the supply current of the semiconductor laser 1. To control the power of the laser radiation introduced into the optical fiber, through the second output of the optical fiber splitter 4, part of the laser radiation is allocated to the input of the second photodetector 10, the output of which a signal is generated proportional to the radiation power of the semiconductor laser 1. The signal from the second photodetector 10 is fed to the second automatic regulator 11, which regulates the supply current of the semiconductor laser 1 in such a way as to compensate for the change in the power of its radiation relative to the nominal value.

В системе может использоваться любой полупроводниковый лазер с длиной когерентности излучения l_ког>2l, где l - расстояние от торца оптического волокна второго входа волоконно-оптического разветвителя до светоотражающей поверхности мембраны интерферометрического сенсора 2. Однако наиболее предпочтительно использовать широко применяемый в волоконно-оптических линиях связи передающий оптический модуль на основе одночастотного полупроводникового лазера с распределенной обратной связью (DFB, Distributed Feed Back) на длине волны излучения λ=1,31 мкм или λ=1,55 мкм с встроенным терморегулирующим элементом Пельтье, интегрированный с одномодовым оптическим волокном (Каталог продукции фирмы «ФТИ-Оптроник», http://www.fti-optronic.com). Такие лазеры имеют высокую когерентность излучения и характеризуются высокой эффективностью перестройки длины волны излучения от температуры. Экспериментально измеренный коэффициент, характеризующий перестройку длины волны DFB-лазеров в зависимости от температуры в области λ=1,55 мкм, составляет порядка 0,1 нм/°С, т.е. при изменении температуры на 40°С изменение длины волны излучения составляет около 4 нм.The system can use any semiconductor laser with a radiation coherence length l _coh > 2l, where l is the distance from the end face of the optical fiber of the second input of the fiber optic splitter to the reflective surface of the membrane of the interferometric sensor 2. However, it is most preferable to use widely used in fiber optic communication lines transmitting optical module based on a single frequency semiconductor laser with distributed feedback (DFB, Distributed Feed Back) at a radiation wavelength of λ = 1.31 μm or λ = 1.55 μm with an integrated Peltier temperature-regulating element, integrated with a single-mode optical fiber (Product catalog of the FTI-Optronic company, http://www.fti-optronic.com). Such lasers have high radiation coherence and are characterized by high efficiency of tuning the radiation wavelength from temperature. The experimentally measured coefficient characterizing the tuning of the wavelength of DFB lasers depending on the temperature in the region of λ = 1.55 μm is about 0.1 nm / ° C, i.e. when the temperature changes by 40 ° C, the change in the radiation wavelength is about 4 nm.

В качестве первого 5 и второго фотодетектора 10 могут быть использованы различные фотодетекторы (тепловые, на внутреннем или внешнем фотоэффекте), чувствительные в области длины волны излучения полупроводникового лазера 1. Однако наиболее целесообразно использовать приемный оптический модуль на основе InGaAs/InP PIN фотодиода, интегрированный с одномодовым оптическим волокном, промышленно выпускаемый для работы в аппаратуре волоконно-оптических линий связи (Каталог продукции фирмы «ФТИ-Оптроник», http://www.fti-optronic.com).As the first 5 and second photodetector 10, various photodetectors (thermal, internal or external photoelectric effect) that are sensitive in the region of the radiation wavelength of the semiconductor laser 1 can be used. However, it is most advisable to use a receiving optical module based on an InGaAs / InP PIN photodiode integrated with single-mode optical fiber, commercially available for use in the equipment of fiber-optic communication lines (Product catalog of the FTI-Optronic company, http://www.fti-optronic.com).

В качестве первого 9 и второго автоматического регулятора 11 может быть использован драйвер полупроводникового лазера (Киселев Г.Л. Приборы квантовой электроники. М.: Высшая школа, 1980 г., с.172. рис.10.7).As the first 9 and second automatic controller 11, a semiconductor laser driver can be used (G. Kiselev, Quantum Electronics Devices. M.: Vysshaya Shkola, 1980, p.172. Fig. 10.7).

В качестве интерферометрического сенсора 2 может быть использован известный оптический резонатор Фабри-Перо, в котором одна отражающая поверхность образована полированным торцом оптического волокна, а другая - светоотражающей поверхностью чувствительной мембраны 3. Расстояние l от торца оптического волокна до чувствительной мембраны 3 интерферометрического сенсора 2 может устанавливаться с помощью микропозиционера. Однако наиболее целесообразна установка расстояния l по «видности» интерференционной картины, которая зависит от типа оптического волокна, качества полировки его торца, длины волны лазерного излучения и коэффициента его отражения от мембраны. Экспериментально установлено, что для кварцевого одномодового волокна с диаметром сердцевины 9 мкм при длине волны излучения 1,55 мкм и коэффициенте отражения, равном 1, для получения наилучшей «видности» интерференционной картины (по уровню 0,9 и более) в интерферометрическом сенсоре 2 расстояние l должно быть установлено в диапазоне от 200 до 580 мкм. При выходе за указанный диапазон чувствительность системы уменьшается за счет потери «видности» интерференционной картины.As the interferometric sensor 2, the well-known Fabry-Perot optical resonator can be used, in which one reflecting surface is formed by the polished end of the optical fiber and the other by the light-reflecting surface of the sensitive membrane 3. The distance l from the end of the optical fiber to the sensitive membrane 3 of the interferometric sensor 2 can be established using the micro positioner. However, it is most advisable to set the distance l according to the “visibility” of the interference pattern, which depends on the type of optical fiber, the quality of polishing of its end, the wavelength of the laser radiation and its reflection coefficient from the membrane. It was experimentally established that for a quartz single-mode fiber with a core diameter of 9 μm at a radiation wavelength of 1.55 μm and a reflection coefficient of 1, to obtain the best "visibility" of the interference pattern (at a level of 0.9 or more) in the interferometric sensor 2 distance l should be set in the range of 200 to 580 microns. If you go beyond the specified range, the sensitivity of the system decreases due to the loss of "visibility" of the interference pattern.

На фиг.2 представлены экспериментально измеренные зависимости параметров ВОСС от температуры одночастотного полупроводникового DFB-лазера с длиной волны излучения в области 1,55 мкм. На графике 1 приведена мощность излучения полупроводникового лазера 1 при отсутствии ее стабилизации, а на графиках 2 и 3 - статическая составляющая сигнала на выходе первого фотодетектора, характеризующая «видность» интерференционной картины в предлагаемой системе со стабилизацией и без стабилизации мощности излучения полупроводникового лазера соответственно. «Видность» интерференционной картины формируемой на выходе первого фотодетектора определяется известным соотношениемFigure 2 presents the experimentally measured dependence of the parameters of BOSS on the temperature of a single-frequency semiconductor DFB laser with a radiation wavelength in the region of 1.55 μm. Chart 1 shows the radiation power of semiconductor laser 1 in the absence of stabilization, and graphs 2 and 3 show the static component of the signal at the output of the first photodetector, which characterizes the “visibility” of the interference pattern in the proposed system with stabilization and without stabilization of the radiation power of the semiconductor laser, respectively. The “visibility” of the interference pattern formed at the output of the first photodetector is determined by the known relation

где U_max и U_min - максимальное и минимальное значение напряжения интерференционной картины соответственно.where U _max and U _min - the maximum and minimum voltage values of the interference pattern, respectively.

Как видно из графиков, при изменении температуры полупроводникового лазера в диапазоне от 15°С до 50°С в предлагаемой системе со стабилизацией мощности излучения полупроводникового лазера «видность» интерференционной картины сохраняется на постоянном уровне порядка 0,72, что превышает экспериментально установленный уровень «видности» 0,5, необходимый для обеспечения работоспособности системы. В прототипном варианте системы, где стабилизация мощности излучения полупроводникового лазера отсутствует, мощность излучения в том же температурном диапазоне снижается от 1,2 мВт до 0,1 мВт (т.е. примерно в 12 раз), а «видность» интерференционной картины уменьшается примерно в 1,68 раза (от 0,72 при температуре 15…25°С до 0,43 при температуре более 35…40°С), что свидетельствует о нарушении работоспособности прототипного варианта системы при температуре полупроводникового лазера более 35…40°С.As can be seen from the graphs, when the temperature of the semiconductor laser changes in the range from 15 ° C to 50 ° C in the proposed system with stabilization of the radiation power of the semiconductor laser, the "visibility" of the interference pattern remains at a constant level of about 0.72, which exceeds the experimentally established level of "visibility »0.5, necessary to ensure the health of the system. In the prototype version of the system, where there is no stabilization of the radiation power of the semiconductor laser, the radiation power in the same temperature range decreases from 1.2 mW to 0.1 mW (i.e., approximately 12 times), and the “visibility” of the interference pattern decreases by approximately 1.68 times (from 0.72 at a temperature of 15 ... 25 ° C to 0.43 at a temperature of more than 35 ... 40 ° C), which indicates a malfunction of the prototype version of the system at a semiconductor laser temperature of more than 35 ... 40 ° C.

Как пояснено описанием и графическим приложением, использование предлагаемой волоконно-оптической сенсорной системы по сравнению с прототипом позволяет расширить диапазон работоспособности системы.As explained by the description and the graphical application, the use of the proposed fiber-optic sensor system in comparison with the prototype allows you to expand the range of system performance.

Табл.1.Table 1. Пороговая чувствительность образцов волоконно-оптической сенсорной системы при различных значениях параметров конструкции, нмThreshold sensitivity of samples of a fiber optic sensor system at various values of the design parameters, nm nn λ, мкмλ, μm Расстояние l от торца оптического волокна до светоотражающей поверхности мембраны, мкмThe distance l from the end of the optical fiber to the reflective surface of the membrane, microns 0,125λ(n-1)0.125λ (n-1) 0,125λn-0,075λ0,125λn-0,075λ 0,125λn0,125λn 0,125λn+0,075λ0.125λn + 0.075λ 0,125λ(n+1)0,125λ (n + 1) 501501 1,551.55 Система нечувствительнаSystem is insensitive 0,170.17 0,150.15 0,170.17 Система нечувствительнаSystem is insensitive 10011001 0,0120.012 0,010.01 0,0120.012 20012001 0,0040.004 0,0030.003 0,0040.004 30013001 0,010.01 0,0080.008 0,010.01 40014001 0,070,07 0,060.06 0,070,07 501501 1,301.30 0,140.14 0,120.12 0,140.14 10011001 0,0080.008 0,0060.006 0,0080.008 20012001 0,0030.003 0,0020.002 0,0030.003 30013001 0,0070.007 0,0050.005 0,0070.007 40014001 0,120.12 0,100.10 0,0120.012

Claims

Fiber-optic sensor system comprising a semiconductor laser, an interferometric sensor equipped with a sensitive membrane, a fiber optic splitter made of single-mode optical fibers, a first photodetector, an electric signal amplifier, a recording device, a first automatic controller and a Peltier thermoregulating element thermally connected with a semiconductor a laser in which the output of a semiconductor laser is connected to the first input of a fiber optic splitter, in the interferometric sensor is connected to the second input of the fiber optic splitter with the possibility of transmitting light from a semiconductor laser and receiving an optical interference signal from the interferometric sensor, the first output of the fiber optic splitter is connected to the input of the first photodetector, and the output of the first photodetector is connected to the first automatic regulator and amplifier of the electric signal, the output of which is connected to a recording device, the output of the first automatic controller connected to a Peltier temperature control element, characterized in that the system further comprises a second automatic controller and a second photodetector, the input of which is connected to the second output of the fiber optic splitter, and the output through the second automatic controller with the power input of the semiconductor laser.