RU2279112C2 - Fiber-optic sensor system - Google Patents

Fiber-optic sensor system Download PDF

Info

Publication number
RU2279112C2
RU2279112C2 RU2004128514/28A RU2004128514A RU2279112C2 RU 2279112 C2 RU2279112 C2 RU 2279112C2 RU 2004128514/28 A RU2004128514/28 A RU 2004128514/28A RU 2004128514 A RU2004128514 A RU 2004128514A RU 2279112 C2 RU2279112 C2 RU 2279112C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
fiber
optical
sensor
fiber optic
photodetector
Prior art date
Application number
RU2004128514/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2004128514A (en
Inventor
Андрей Анатольевич Ветров (RU)
Андрей Анатольевич Ветров
Станислав Сергеевич Комиссаров (RU)
Станислав Сергеевич Комиссаров
Виктор Викторович Лучинин (RU)
Виктор Викторович Лучинин
Александр Николаевич Сергушичев (RU)
Александр Николаевич Сергушичев
Original Assignee
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет" ("ЛЭТИ им. В.И. Ленина") (СПбГЭТУ)
Федеральное Государственное унитарное предприятие "Центр технологий микроэлектроники" (ФГУП ЦТМ)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет" ("ЛЭТИ им. В.И. Ленина") (СПбГЭТУ), Федеральное Государственное унитарное предприятие "Центр технологий микроэлектроники" (ФГУП ЦТМ) filed Critical Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет" ("ЛЭТИ им. В.И. Ленина") (СПбГЭТУ)
Priority to RU2004128514/28A priority Critical patent/RU2279112C2/en
Publication of RU2004128514A publication Critical patent/RU2004128514A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2279112C2 publication Critical patent/RU2279112C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Electrostatic, Electromagnetic, Magneto- Strictive, And Variable-Resistance Transducers (AREA)
  • Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
  • Optical Transform (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

FIELD: electro-optical engineering.
SUBSTANCE: fiber-optic sensor system can be used in physical value fiber-optic converters providing interference reading out of measured signal. Fiber-optic sensor system has optical radiation laser detector, interferometer sensor, fiber-optic splitter, photodetector and electric signal amplifier. Interferometer sensor is equipped with sensitive membrane. Fiber-optic splitter is made of single-mode optical fibers. Connection between fiber-optic splitter and interferometer sensor is based upon the following calculation: l=0,125λn±0,075λ, where l is distance from edge of optical fiber of second input of fiber-optic splitter to light-reflecting surface of sensor's membrane (mcm); λ is optical radiation wavelength, mcm; n is odd number within [1001-3001] interval.
EFFECT: simplified design; compactness; widened sensitivity frequency range.
4 cl, 1 tbl, 3 dwg

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, содержащая широкополосный источник излучения, волоконный световод (ВС), выполненный с образованием измерительного и эталонного оптических каналов, поляризационный датчик межмодовой интерференции, фотоприемник, подключенный к блоку обработки и отображения информации, сканирующий деформатор, установленный на ВС, и блок управления сканирующим деформатором (RU 2036419, G 01 B 21/00, 1995). Для использования в качестве микрофона волоконно-оптическая сенсорная система содержит мембранный чувствительный элемент, на внутренней поверхности которого по спирали расположен волоконно-оптический световод, к одному концу которого через фокусирующую линзу подключен источник монохроматического излучения, а к другому - фотоприемник (RU 2047944, H 04 R 23/00, 1995).A known fiber-optic sensor system containing a broadband radiation source, a fiber waveguide (BC) made 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 the aircraft, and control unit for the scanning deformer (RU 2036419, G 01 B 21/00, 1995). For use as a microphone, a fiber-optic sensor system contains a membrane sensitive element, on the inner surface of which there is a spiral optical fiber, to one end of which a monochromatic radiation source is connected through a focusing lens, and a photodetector to the other (RU 2047944, H 04 R 23/00, 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 волоконно-оптических сенсорных систем 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, G 01 K 11/32, G 02 B 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, G 01 K 11/32, 2001).Among specialized fiber-optic sensor systems, there is a known design for measuring temperature, comprising, jointly made on the basis of fiber-optic laser (VOL), excitation and interference data acquisition channels, a microcavity modulating VOL radiation, a photodetector and an information processing and display unit ( RU 2110049, G 01 K 11/32, G 02 B 6/00, 1998). To increase the sensitivity, accuracy and stability of the system, one end of the fiber optic waveguide 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 reflecting surface of the microcavity, and the second is the output (RU 2161783, G 01 K 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 волоконно-оптическая сенсорная система 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 VOL TBD Courtesy Optiphase, Inc.).Also known is a fiber-optic sensor system for measuring displacements, comprising a source of optical radiation, an interferometric sensor for micro-displacements, 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 installed with the ability to move the interferometric sensor where the output of the optical radiation source is connected to the first input of the fiber optic of the splitter, the second input of the fiber optic splitter is connected to an interferometric sensor to allow light to be transmitted from the optical radiation source and to receive the optical interference signal from the sensor, the output of the fiber optic splitter is connected to the photodetector, the output of the photodetector is connected to the input of the control device, and the output of the control device 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 VOL TBD 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.

Наиболее близкой к заявляемой является волоконно-оптическая сенсорная система, 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, G 01 B 9/02, 1992).Closest to the claimed one is a fiber optic sensor system containing 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 source output optical radiation is connected to the first input of the fiber optic splitter, the second input of the fiber optic splitter is connected to the interferometric To the sensor for the possibility of transmitting light from the optical radiation source 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 output of the photodetector is connected to the input of an electric 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, G 01 B 9/02, 1992).

Однако прототипное устройство обладает узким частотным диапазоном чувствительности, недостаточным, 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.However, the prototype device has a narrow frequency range of sensitivity, insufficient, in particular, to work as a microphone, which is aggravated by the inertia of the elements of the 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.

Технической задачей предлагаемого устройства является упрощение и миниатюризация конструкции, а также расширение частотного диапазона чувствительности.The technical task of the proposed device is to simplify and miniaturize the design, as well as expanding the frequency range of sensitivity.

Решение указанной технической задачи заключается в том, что в конструкции волоконно-оптической сенсорной системы, содержащей источник оптического излучения, 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, вносится следующее изменение: в качестве источника оптического излучения использован лазер.The solution to this technical problem lies in the fact that in the design of a fiber-optic sensor system containing an optical radiation source, an interferometric sensor equipped with a sensitive membrane, a fiber optic splitter made of single-mode optical fibers, a photodetector and an electric signal amplifier, where the output of the optical source radiation is connected to the first input of the fiber optic splitter, the second input of the fiber optic splitter is connected to the interferometric In order to transmit light from the optical radiation source and receive 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 output of the photodetector is connected to the input of the electric signal amplifier, the following change is made: the laser is used as the optical radiation source .

Использование лазера в данной конструкции необходимо для расширения диапазона "видности" интерференционной картины за счет увеличения длины когерентности излучения (не менее, чем в 4 раза по сравнению с прототипом). Этот вывод можно обосновать анализом общеизвестной формулыThe use of a laser in this design is necessary to expand the range of "visibility" of the interference pattern by increasing the coherence length of the radiation (not less than 4 times compared with the prototype). This conclusion can be substantiated by analysis of the well-known formula

Figure 00000002
Figure 00000002

где lког - длина когерентности источника излучения, мкм;where l coh is the coherence length of the radiation source, microns;

l - расстояние от торца оптического волокна второго входа волоконно-оптического разветвителя до светоотражающей поверхности мембраны интерферометрического сенсора (мкм).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 (μm).

Из неравенства (1) можно заключить, чтоFrom inequality (1) we can conclude that

Figure 00000003
Figure 00000003

т.е. "зона видности" тем больше, чем больше длина когерентности источника излучения. Увеличение "зоны видности" приводит к расширению диапазона принимаемых перемещений чувствительной мембраны, т.е. к отсутствию необходимости стабилизировать положение рабочей точки на статической характеристике системы. Это позволяет при необходимости упростить систему за счет изъятия входившего в конструкцию прототипа контура автоподстройки. Данный вариант (п.1 формулы) в дальнейшем называется минимальным. При его технической реализации расстояние l настраивают из условия четкости интерференционной картины на выходе фотодетектора.those. The "visibility zone" is greater, the longer the coherence length of the radiation source. The increase in the "visibility zone" leads to the expansion of the range of received movements of the sensitive membrane, i.e. to the lack of the need to stabilize the position of the operating point on the static characteristic of the system. This allows, if necessary, to simplify the system by removing the auto-tuning loop included in the prototype design. This option (claim 1 of the formula) is hereinafter called minimal. With its technical implementation, the distance l is adjusted from the clarity condition of the interference pattern at the output of the photodetector.

Оптимальное значение параметра l (вариант по п.2 формулы) наблюдается при условииThe optimal value of the parameter l (option according to claim 2 of the formula) is observed under the condition

Figure 00000004
Figure 00000004

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

n - нечетное число из экспериментально установленного интервала [1001÷3001].n is an odd number from the experimentally established interval [1001 ÷ 3001].

Далее под настройкой положения рабочей точки системы понимается конкретное значение l.Further, by setting the position of the operating point of the system is meant a specific value of l.

Формула (3) удобна для юстировки положения соответствующего торца оптического волокна относительно мембраны с помощью системы прецизионного позиционирования. Она может использоваться также для проверки оптимальности настройки варианта по п.1.Formula (3) is convenient for adjusting the position of the corresponding end of the optical fiber relative to the membrane using a precision positioning system. It can also be used to check the optimality of the settings option according to claim 1.

Достигнутое увеличение "зоны видности" обеспечивает, при необходимости, данной системе возможность приема звуковых сигналов, т.е. работы в качестве микрофона. В этом случае в ней используют усилитель электрических сигналов и мембрану интерферометрического сенсора, чувствительные в звуковом диапазоне частот (вариант по п.3 формулы). Для работы в составе конструкции такого микрофона целесообразно использовать сенсор с чувствительностью мембраны не менее 0,1 нм/Па в данном диапазоне частот.The achieved increase in the "visibility zone" provides, if necessary, this system the ability to receive audio signals, i.e. work as a microphone. In this case, it uses an electric signal amplifier and an interferometric sensor membrane that are sensitive in the sound frequency range (option according to claim 3 of the formula). To work as part of the design of such a microphone, it is advisable to use a sensor with a membrane sensitivity of at least 0.1 nm / Pa in this frequency range.

В предлагаемой системе может быть использован лазер любого конструктивного исполнения, например, газовый или твердотельный. Наиболее целесообразно использовать полупроводниковый лазерный источник оптического излучения с электрическим питанием от стабилизатора тока, что позволяет миниатюризировать конструкцию и уменьшить ее энергопотребление. Данный вариант конструкции может дополнительно содержать контур прецизионного регулирования положения рабочей точки с управляющим воздействием на температуру лазера по статической составляющей сигнала обратной связи от фотодетектора (п.4 формулы). Этот вариант целесообразно использовать в условиях действия на сенсор интенсивных помех (температуры, давления, вибрации и др.), вызывающих смещение положения рабочей точки системы. В качестве терморегулирующего органа в контуре прецизионного регулирования положения рабочей точки целесообразно использовать элемент Пельтье (п.5 формулы), что дает возможность работать как в режиме нагрева лазера, так и его охлаждения.In the proposed system, a laser of any design, for example, gas or solid-state, can be used. It is most advisable to use a semiconductor laser source of optical radiation with electric power from a current stabilizer, which allows you to miniaturize the structure and reduce its energy consumption. This design option may additionally contain a contour of precise regulation of the position of the operating point with a control action on the laser temperature by the static component of the feedback signal from the photodetector (claim 4 of the formula). It is advisable to use this option in conditions of intense interference (temperature, pressure, vibration, etc.) acting on the sensor, causing a shift in the position of the operating point of the system. It is advisable to use the Peltier element (claim 5 of the formula) as a thermoregulating organ in the loop for precision regulation of the position of the operating point, which makes it possible to work both in the heating mode of the laser and its cooling.

Принцип действия вариантов по пп.4 и 5 формулы основан на впервые использованной авторами зависимости длины волны излучения полупроводникового лазера от температуры данного источника оптического излучения для регулирования положения рабочей точки на статической характеристике системы.The principle of operation of the variants according to claims 4 and 5 of the formula is based on the dependence of the semiconductor laser radiation wavelength on the temperature of a given optical radiation source for the first time used by the authors to control the position of the operating point on the system’s static characteristic.

На фиг.1 приведен минимальный вариант волоконно-оптической сенсорной системы; на фиг.2 приведен вариант системы с регулированием положения рабочей точки; на фиг.3 представлена амплитудно-частотная характеристика микрофона, изготовленного на базе предлагаемой волоконно-оптической сенсорной системы.Figure 1 shows the minimum version of a fiber optic sensor system; figure 2 shows a variant of the system with the regulation of the position of the operating point; figure 3 presents the amplitude-frequency characteristic of a microphone made on the basis of the proposed fiber-optic sensor system.

В таблице указаны значения технических характеристик образцов минимального варианта системы.The table shows the values of the technical characteristics of the samples of the minimum version of the system.

Волоконно-оптическая сенсорная система (фиг.1) содержит лазерный источник 1 оптического излучения, интерферометрический сенсор 2, оснащенный чувствительной мембраной 3, волоконно-оптический разветвитель 4, выполненный из одномодовых оптических волокон, фотодетектор 5 и усилитель 6 электрического сигнала. Выход источника 1 оптического излучения подключен к первому входу волоконно-оптического разветвителя 4, второй вход волоконно-оптического разветвителя 4 подключен к интерферометрическому сенсору 2 с возможностью передачи света от источника 1 оптического излучения и приема оптического интерференционного сигнала от сенсора 2. Выход волоконно-оптического разветвителя 4 связан с оптическим входом фотодетектора 5, а выход фотодетектора 5 подключен к усилителю 6 электрического сигнала. В зависимости от назначения системы к выходу усилителя 6 подключено соответствующее регистрирующее устройство 7 (осциллограф, компьютер, световой индикатор, динамик и т.д.). Расстояние l от выходного торца оптического волокна до мембраны 3 сенсора 2 установлено по интерференционной картине или с помощью микропозиционера в соответствии с формулами (2) и (3).The fiber optic sensor system (Fig. 1) contains a laser source of optical radiation 1, an interferometric sensor 2 equipped with a sensitive membrane 3, a fiber optic splitter 4 made of single-mode optical fibers, a photodetector 5 and an electric signal amplifier 6. The output of the optical radiation source 1 is connected to the first input of the optical fiber splitter 4, the second input of the optical fiber splitter 4 is connected to the interferometric sensor 2 with the possibility of transmitting light from the optical radiation source 1 and receiving the optical interference signal from the sensor 2. The output of the optical fiber splitter 4 is connected to the optical input of the photodetector 5, and the output of the photodetector 5 is connected to an electric signal amplifier 6. Depending on the purpose of the system, the corresponding recording device 7 (an oscilloscope, a computer, a light indicator, a speaker, etc.) is connected to the output of the amplifier 6. The distance l from the output end of the optical fiber to the membrane 3 of the sensor 2 is established by the interference pattern or using a micropositioner in accordance with formulas (2) and (3).

Лазерное излучение от источника 1, пройдя через разветвитель 4, поступает на интерферометрический сенсор 2. Часть этого излучения отражается от выходного торца оптического волокна, а другая часть излучения проходит расстояние l, и, отразившись от мембраны 3 сенсора 2, поступает в обратном направлении в указанный торец того же оптического волокна. В связи с тем, что установочное значение l не превышает 0,5lког, указанные световые потоки складываются когерентно, формируя таким образом интерференционную картину, которая с выхода разветвителя 4 поступает на фотодетектор 5, с которого принимается усилителем 6 электрического сигнала и поступает с выхода последнего на блок регистрации 7.Laser radiation from source 1, passing through the splitter 4, enters 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 membrane 3 of the sensor 2, enters in the opposite direction end of the same optical fiber. Due to the fact that the setpoint does not exceed l 0,5l kog specified luminous flux are added coherently, thus forming an interference pattern, which is output from the splitter 4 enters the photodetector 5, from which the received electrical signal amplifier 6 and the output from the last to the registration unit 7.

Результаты испытания минимальных вариантов целевых конструкций с источниками оптического излучения при длине волны λ=1,55 и 1,30 мкм представлены в табл.1. Как видно из таблицы, пороговая чувствительность образцов волоконно-оптической сенсорной системы максимальна при установке торца оптического волокна в сенсоре 2 на оптимальном расстоянии от мембраны 3, определяемом формулой (3), а именно l=0,125λn при нечетном значении n в диапазоне [1001÷3001]. 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 test results of the minimum options for target structures with optical radiation sources at a wavelength of λ = 1.55 and 1.30 μm are presented in Table 1. As can be seen from the table, the threshold sensitivity of the samples of the fiber-optic sensor system is maximum when the end of the optical fiber in the sensor 2 is installed at the optimal distance from the membrane 3 defined by formula (3), namely, l = 0.125λn with an odd value of n in the range [1001 ÷ 3001]. 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 варианте микрофона (п.3 формулы) различают статическую и динамическую характеристики волоконно-оптической сенсорной системы. Статическая характеристика представляет собой установившееся значение сигнала на выходе фотодетектора в зависимости от положения рабочей точки при отсутствии помехи. Динамическая характеристика формируется в результате действия принимаемого звукового сигнала и зависит от амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) мембраны сенсора. На фиг.3 приведена экспериментально отснятая АЧХ волоконно-оптической сенсорной системы с длиной волны λ=1,55 мкм излучения полупроводникового лазера 1 мощностью 2 мВт и образцом мембраны сенсора 3 чувствительностью 1,5 нм/Па. АЧХ такой системы в звуковом диапазоне частот является равномерной. Ее неравномерность не превышает 3 дБ при среднем значении АЧХ, равном 135 дБ.In the microphone variant (claim 3 of the formula), the static and dynamic characteristics of the fiber optic sensor system are distinguished. The static characteristic is the steady-state value of the signal at the output of the photodetector, depending on the position of the operating point in the absence of interference. The dynamic characteristic is formed as a result of the action of the received sound signal and depends on the amplitude-frequency characteristic (AFC) of the sensor membrane. Figure 3 shows the experimentally measured frequency response of a fiber optic sensor system with a wavelength of λ = 1.55 μm of radiation from a semiconductor laser 1 with a power of 2 mW and a sample of a sensor membrane 3 with a sensitivity of 1.5 nm / Pa. The frequency response of such a system in the sound frequency range is uniform. Its unevenness does not exceed 3 dB with an average frequency response of 135 dB.

Оптимальный вариант системы, оснащенной полупроводниковым лазерным источником 1 оптического излучения с электрическим питанием от стабилизатора тока, дополнительно содержит контур 8 прецизионного регулирования положения рабочей точки с управляющим воздействием на температуру лазера по статической составляющей сигнала обратной связи от фотодетектора, включающий автоматический регулятор 9 с исполнительным механизмом и регулирующий орган 10 (фиг.2, пункт 4 формулы). Вход регулятора 9 связан с выходом фотодетектора 5 непосредственно, как показано на фиг.2, или через усилитель 6, выход регулятора 9 связан с помощью входящего в его структуру исполнительного механизма с терморегулирующим органом 10, установленным с возможностью изменения температуры лазера 1. Изменение температуры лазера 1 приводит к изменению длины волны λ его излучения относительно номинала для компенсации отклонения рабочей точки под действием внешней помехи на сенсор 2.The optimal version of the system, equipped with a semiconductor laser source 1 of optical radiation with electric power from a current stabilizer, further comprises a circuit 8 for precise regulation of the position of the operating point with a control action on the laser temperature by the static component of the feedback signal from the photodetector, including an automatic controller 9 with an actuator and regulatory authority 10 (figure 2, paragraph 4 of the formula). The input of the regulator 9 is connected to the output of the photodetector 5 directly, as shown in Fig. 2, or through an amplifier 6, the output of the regulator 9 is connected via an actuator included in its structure to a thermo-regulating organ 10 installed with the possibility of changing the temperature of laser 1. Changing the temperature of the laser 1 leads to a change in the wavelength λ of its radiation relative to the nominal value to compensate for the deviation of the operating point under the influence of external noise on the sensor 2.

В качестве терморегулирующего органа 10 может использоваться соответствующий нагреватель, например, выполненный в виде нихромовой спирали. Возможно также включение элемента 10 в цепь задатчика стабилизатора тока, питающего лазер 1. Наиболее целесообразно в терморегулирующем органе 10 использовать элемент Пельтье (п.5 формулы). Это дает возможность работать как в режиме нагрева так и охлаждения лазера, что расширяет диапазон управляющих воздействий.As a temperature-regulating organ 10, a corresponding heater, for example, made in the form of a nichrome spiral, can be used. It is also possible the inclusion of element 10 in the setpoint circuit of a current stabilizer supplying laser 1. It is most advisable to use a Peltier element in the temperature control organ 10 (claim 5 of the formula). This makes it possible to work both in the heating and cooling modes of the laser, which expands the range of control actions.

Как пояснено описанием, приведенными примерами и графическим приложением, использование предлагаемой волоконно-оптической сенсорной системы по сравнению с прототипом позволяет упростить и миниатюризировать конструкцию целевого комплекса за счет одноканального исполнения контура интерферометрических измерений и изъятия громоздкого электромеханического узла автоподстройки положения рабочей точки. Кроме того, достигнуто расширение частотного диапазона чувствительности, что подтверждается АЧХ варианта работы системы в качестве микрофона. Достигнуто также обеспечение работы системы в условиях действия помех за счет впервые реализованной компенсации помехи изменением длины волны источника излучения.As explained by the description, examples and graphical application, the use of the proposed fiber-optic sensor system in comparison with the prototype allows to simplify and miniaturize the design of the target complex due to the single-channel execution of the interferometric measurement circuit and the removal of the bulky electromechanical node for automatically adjusting the position of the operating point. In addition, the expansion of the frequency range of sensitivity has been achieved, which is confirmed by the frequency response of the system as a microphone. It has also been achieved that the system operates under conditions of interference due to the first implemented interference compensation by changing the wavelength of the radiation source.

Техническим результатом, производным от достигнутого, является снижение себестоимости системы за счет упрощения ее конструкции и юстировки.The technical result, derived from the achieved, is to reduce the cost of the system by simplifying its design and alignment.

Figure 00000005
Figure 00000005

Claims (4)

1. Волоконно-оптическая сенсорная система, содержащая лазерный источник оптического излучения, интерферометрический сенсор, оснащенный чувствительной мембраной, 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 интерферометрическому сенсору с возможностью передачи света от источника оптического излучения к интерферометрическому сенсору, а выход фотодетектора подключен к усилителю электрического сигнала, отличающаяся тем, что в ней использован лазерный источник с высокой когерентностью, выход волоконно-оптического разветвителя непосредственно связан с оптическим входом фотодетектора, а подключение волоконно-оптического разветвителя к интерферометрическому сенсору выполнено из расчета1. Fiber-optic sensor system containing a laser optical radiation source, 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, in which the output of the optical radiation source is connected to the first input of the fiber optical splitter, the second input of the fiber optic splitter is connected to an interferometric sensor with the ability to transmit light from a source optical radiation to the interferometric sensor, and the photodetector output is connected to an electric signal amplifier, characterized in that it uses a laser source with high coherence, 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 interferometric sensor is made based l=0,125λn±0,075λ,l = 0.125λn ± 0.075λ, 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 (μm); λ - длина волны оптического излучения, мкм;λ is the wavelength of optical radiation, microns; n - нечетное число из интервала [1001-3001],n is an odd number from the interval [1001-3001], для одновременного приема оптического интерференционного сигнала от сенсора и передачи этого сигнала ко входу фотодетектора.for simultaneously receiving an optical interference signal from the sensor and transmitting this signal to the photodetector input. 2. Волоконно-оптическая сенсорная система по п.1, отличающаяся тем, что в ней усилитель электрических сигналов и мембрана интерферометрического сенсора выполнены чувствительными в звуковом диапазоне частот.2. The fiber optic sensor system according to claim 1, characterized in that in it an electric signal amplifier and an interferometric sensor membrane are made sensitive in the sound frequency range. 3. Волоконно-оптическая сенсорная система по п.2, отличающаяся тем, что при использовании в качестве источника оптического излучения полупроводникового лазера она дополнительно содержит контур прецизионного регулирования положения рабочей точки с управляющим воздействием на температуру лазера по статической составляющей сигнала обратной связи от фотодетектора.3. The fiber optic sensor system according to claim 2, characterized in that when using a semiconductor laser as a source of optical radiation, it further comprises a contour of precision control of the position of the operating point with a control action on the laser temperature by the static component of the feedback signal from the photodetector. 4. Волоконно-оптическая сенсорная система по п.3, отличающаяся тем, что контур прецизионного регулирования положения рабочей точки в качестве терморегулирующего органа оснащен элементом Пельтье.4. The fiber optic sensor system according to claim 3, characterized in that the contour of precision regulation of the position of the operating point as a thermoregulating organ is equipped with a Peltier element.
RU2004128514/28A 2004-09-27 2004-09-27 Fiber-optic sensor system RU2279112C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2004128514/28A RU2279112C2 (en) 2004-09-27 2004-09-27 Fiber-optic sensor system

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2004128514/28A RU2279112C2 (en) 2004-09-27 2004-09-27 Fiber-optic sensor system

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2004128514A RU2004128514A (en) 2006-03-10
RU2279112C2 true RU2279112C2 (en) 2006-06-27

Family

ID=36115743

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2004128514/28A RU2279112C2 (en) 2004-09-27 2004-09-27 Fiber-optic sensor system

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2279112C2 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2498226C1 (en) * 2012-06-01 2013-11-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина) Fiber-optic sensor system
RU2515339C2 (en) * 2012-01-11 2014-05-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт технической физики имени академика Е.И. Забабахина" Method to measure linear movements
RU2624786C1 (en) * 2016-10-17 2017-07-06 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I" Device for measuring aerodynamic pressure on tunnel constructions
WO2021113793A1 (en) * 2019-12-05 2021-06-10 Ipg Photonics Corporation Bidirectional single-fiber coherent transmission system

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2515339C2 (en) * 2012-01-11 2014-05-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт технической физики имени академика Е.И. Забабахина" Method to measure linear movements
RU2498226C1 (en) * 2012-06-01 2013-11-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина) Fiber-optic sensor system
RU2624786C1 (en) * 2016-10-17 2017-07-06 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I" Device for measuring aerodynamic pressure on tunnel constructions
WO2021113793A1 (en) * 2019-12-05 2021-06-10 Ipg Photonics Corporation Bidirectional single-fiber coherent transmission system

Also Published As

Publication number Publication date
RU2004128514A (en) 2006-03-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP3037639B2 (en) Optical microphone
US6618523B2 (en) Unbalanced fiber optic Michelson interferometer as an optical pick-off
US11215481B2 (en) Diaphragm-based fiber acoustic sensor
JPH0663727B2 (en) Position detection device and method
US20040071383A1 (en) Fiber tip based sensor system for acoustic measurements
JP5306386B2 (en) A device that acquires position using a Fabry-Perot interferometer
EP2530431A1 (en) Improved optical filtering for resonator-fiber-optic gyroscopes
Akkaya et al. Modeling and demonstration of thermally stable high-sensitivity reproducible acoustic sensors
US5063781A (en) Fiber-optic vibration sensor
JP2009512199A (en) Method and apparatus for suppressing laser phase noise
CN111289085B (en) Microphone diaphragm amplitude measuring method and device
US5177566A (en) Interferometer with environment sensitive static etalon
TW201719109A (en) Apparatus for measuring cavity length of optical resonant cavity
RU2305253C1 (en) Fiber-optical sensor system
RU2279112C2 (en) Fiber-optic sensor system
RU2498226C1 (en) Fiber-optic sensor system
JPH11257920A (en) Noncontact type optical measuring apparatus and method of using the same
JP2000292433A (en) Optical vibration sensor and optical vibration evaluation method
Ribeiro et al. Low coherence fiber optic system for remote sensors illuminated by a 1.3 μm multimode laser diode
CN114175683B (en) Optical transducer and method for measuring displacement
CA1334630C (en) Measuring device
JPH0560781A (en) Acceleration measuring apparatus
US20120314200A1 (en) Coupled multi-wavelength confocal systems for distance measurements
KR102443921B1 (en) Phase shifting interferometer using optical fiber doped with rare earth elements
RU2113697C1 (en) Optical pressure gauge

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20070928