RU2466366C1 - Fibre-optic interference temperature sensor - Google Patents
Fibre-optic interference temperature sensor Download PDFInfo
- Publication number
- RU2466366C1 RU2466366C1 RU2011122914/28A RU2011122914A RU2466366C1 RU 2466366 C1 RU2466366 C1 RU 2466366C1 RU 2011122914/28 A RU2011122914/28 A RU 2011122914/28A RU 2011122914 A RU2011122914 A RU 2011122914A RU 2466366 C1 RU2466366 C1 RU 2466366C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- output
- input
- light source
- plate
- fiber optic
- Prior art date
Links
Landscapes
- Measuring Temperature Or Quantity Of Heat (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к измерительной технике, а более конкретно к термометрии.The invention relates to measuring technique, and more particularly to thermometry.
Из достигнутого уровня техники известен волоконно-оптический интерференционный датчик температуры, содержащий импульсный источник когерентного света (лазер), одномодовый волоконно-оптический разветвитель с первым, вторым и общим ввод-выводами, одномодовое оптическое волокно, измерительный термочувствительный оптический элемент, опорный термочувствительный оптический элемент, полупрозрачный отражатель и фотопреобразователь, подключенный своим выходом к блоку обработки импульсных сигналов. Измерительный и опорный термочувствительные оптические элементы представляют собой одинаковые, соответственно первый и второй, интерферометры Фабри-Перо, каждый из которых образован расположенным между двумя полупрозрачными отражателями (в виде слоя из TiO2) отрезком одномодового оптического волокна, встроенного в упомянутое выше одномодовое оптическое волокно. Источник когерентного света и фотопреобразователь оптически связаны соответственно с первым и вторым ввод-выводами волоконно-оптического разветвителя, а его общий ввод-вывод оптически сопряжен с одним из торцов упомянутого выше одномодового оптического волокна, а полупрозрачный отражатель, в виде слоя из TiO2, встроен в одномодовое оптическое волокно на участке, который расположен между первым и вторым интерферометрами Фабри-Перо, при этом расстояние от полупрозрачного отражателя до каждого из интерферометров Фабри-Перо много больше произведения длительности импульсов света, излучаемых источником света, на скорость света в одномодовом оптическом волокне (см. В.Д.Бурков и др. Волоконно-оптический термометр и его применение в измерении мощности СВЧ-поля с ферритовым преобразователем мощность-температура. Радиотехника и электроника, т.38, вып.11, 1993, с.2097-2113) [1].From the prior art, a fiber-optic interference temperature sensor is known, comprising a pulsed coherent light source (laser), a single-mode fiber-optic splitter with first, second and common I / O, a single-mode optical fiber, a measuring thermosensitive optical element, a reference thermosensitive optical element, translucent reflector and photoconverter connected by its output to the pulse signal processing unit. The measuring and reference thermosensitive optical elements are the same, respectively, the first and second Fabry-Perot interferometers, each of which is formed by a segment of a single-mode optical fiber embedded between two translucent reflectors (in the form of a layer of TiO 2 ) embedded in the single-mode optical fiber mentioned above. A coherent light source and a photoconverter are optically coupled respectively to the first and second I / O of the fiber optic splitter, and its common I / O is optically coupled to one of the ends of the aforementioned single-mode optical fiber, and a translucent reflector, in the form of a layer of TiO 2 , is integrated into a single-mode optical fiber in the area located between the first and second Fabry-Perot interferometers, while the distance from the translucent reflector to each of the Fabry-Perot interferometers is much larger the product of the duration of light pulses emitted by a light source by the speed of light in a single-mode optical fiber (see VD Burkov et al. Fiber-optic thermometer and its application in measuring the power of a microwave field with a ferrite power-temperature converter. Radio engineering and electronics , t.38, issue 11, 1993, s. 2097-2113) [1].
Наличие в описанном выше волоконно-оптическом интерференционном датчике температуры опорного термочувствительного оптического элемента, а также полупрозрачного отражателя, расположенного на соответствующем расстоянии от каждого из интерферометров Фабри-Перо, обеспечивает за счет получения трех сигналов, обусловленных: отражением от резонатора, соответствующего первому интерферометру Фабри-Перо, отражением от полупрозрачного отражателя и отражением от резонатора, соответствующего второму интерферометру Фабри-Перо, независимость измеряемой температуры от: нестабильности источника когерентного света, волоконно-оптического тракта и фотопреобразователя, а также от дрейфа температуры окружающей среды.The presence of the temperature of the reference thermosensitive optical element and a translucent reflector located at the appropriate distance from each of the Fabry-Perot interferometers in the fiber-optic interference sensor described above provides three signals due to: reflection from the resonator corresponding to the first Fabry interferometer Pen, reflection from a translucent reflector and reflection from a resonator corresponding to a second Fabry-Perot interferometer, independence measured temperature from: instability of a coherent light source, fiber optic path and photoconverter, as well as from ambient temperature drift.
Однако этот датчик имеет и недостатки, поскольку требуются значительные трудозатраты не только при его изготовлении (необходимость встраивания в одномодовое оптическое волокно двух пар полупрозрачных отражателей для образования резонаторов, соответствующих первому и второму интерферометрам Фабри-Перо, а также одного полупрозрачного отражателя, расположенного между упомянутыми выше резонаторами), но и при настройке упомянутых выше интерферометров в оптимальную рабочую точку (настройку первого интерферометра Фабри-Перо осуществляют перестройкой длины излучения источника когерентного света, а второго интерферометра Фабри-Перо - путем нанесения на свободный торец одномодового оптического волокна слоя с толщиной, необходимой, чтобы и второй интерферометр Фабри-Перо находился в оптимальной точке). Кроме того, необходимость селекции импульсных сигналов для их дальнейшей обработки приводит к существенному усложнению блока обработки импульсных сигналов.However, this sensor also has drawbacks, since considerable labor is required not only in its manufacture (the need to incorporate two pairs of translucent reflectors into a single-mode optical fiber to form resonators corresponding to the first and second Fabry-Perot interferometers, as well as one translucent reflector located between the above resonators), but also when tuning the above-mentioned interferometers to the optimum operating point (I set up the first Fabry-Perot interferometer wavelength tuning of the source of coherent light radiation, and a second Fabry-Perot - by applying to the free end of the single-mode optical fiber with a layer thickness required to the second Fabry-Perot interferometer is located at the optimum point). In addition, the need for selection of pulse signals for their further processing leads to a significant complication of the processing unit of the pulse signals.
Известен также волоконно-оптический интерференционный датчик температуры, взятый в качестве прототипа и содержащий низкокогерентный источник света (суперлюминесцентный диод с продольной длиной когерентности Lk=30 мкм), два светоделителя, модулятор оптического пути, подвижное зеркало, выполненное с возможностью перемещения вдоль направления распространения отраженного им света и снабженное датчиком положения, многомодовое оптическое волокно, термочувствительный оптический элемент в виде плоскопараллельной пластины, выполненный из материала, прозрачного в диапазоне длин волн, соответствующих спектру излучения источника света и имеющего известную температурную зависимость показателя преломления. Источник света посредством первого светоделителя оптически связан, с одной стороны, с расположенным на его оси подвижным зеркалом, а с другой стороны - с модулятором оптического пути, при этом модулятор оптического пути, первый светоделитель, второй светоделитель и первый торец многомодового оптического волокна расположены последовательно вдоль оптической оси, перпендикулярной оси источника света. Второй торец многомодового оптического волокна оптически сопряжен с пластиной таким образом, чтобы свет, отраженный от каждой поверхности пластины, направлялся обратно в многомодовое оптическое волокно, а фотопреобразователь посредством второго светоделителя оптически связан с первым торцом многомодового оптического волокна (см. патент RU-C1 - №2141621, 1999) [2].Also known is a fiber-optic interference temperature sensor, taken as a prototype and containing a low coherent light source (superluminescent diode with a longitudinal coherence length L k = 30 μm), two beam splitters, an optical path modulator, a movable mirror made with the possibility of movement along the propagation direction of the reflected them of light and equipped with a position sensor, a multimode optical fiber, a thermosensitive optical element in the form of a plane-parallel plate made of material transparent in the wavelength range corresponding to the radiation spectrum of the light source and having a known temperature dependence of the refractive index. The light source through the first beam splitter is optically connected, on the one hand, with a movable mirror located on its axis, and on the other hand, with an optical path modulator, wherein the optical path modulator, the first beam splitter, the second beam splitter and the first end of the multimode optical fiber are arranged in series along optical axis perpendicular to the axis of the light source. The second end of the multimode optical fiber is optically coupled to the plate so that the light reflected from each surface of the plate is directed back to the multimode optical fiber, and the photoconverter is optically coupled to the first end of the multimode optical fiber by means of a second beam splitter (see patent RU-C1 - No. 2141621, 1999) [2].
Безусловное достоинство прототипа заключается в возможности, во-первых, использования более дешевого источника света, а во-вторых, в использовании термочувствительного оптического элемента простейшей конструкции - в виде плоскопараллельной пластины и оптически прозрачного материала в диапазоне длин волн, соответствующих спектру излучения источника света.The undoubted advantage of the prototype lies in the possibility, firstly, of using a cheaper light source, and secondly, of using a thermosensitive optical element of the simplest design — in the form of a plane-parallel plate and optically transparent material in the wavelength range corresponding to the radiation spectrum of the light source.
Однако использование в прототипе отдельных оптических деталей, а также узлов, имеющих достаточно сложную конструкцию (модулятора оптического пути, подвижного зеркала), закрепленных на соответствующем основании, приводит к существенному увеличению весогабаритных характеристик волоконно-оптического интерференционного датчика температуры. Следствием вышесказанного является существенное сужение области использования прототипа. Кроме того, необходимость осуществления спектрального анализа сигнала с выхода фотопреобразователя также приводит к усложнению датчика, а следовательно, к увеличению его стоимости.However, the use of individual optical parts in the prototype, as well as units having a rather complex structure (optical path modulator, moving mirror), mounted on an appropriate base, leads to a significant increase in the weight and size characteristics of the fiber-optic interference temperature sensor. A consequence of the above is a significant narrowing of the scope of use of the prototype. In addition, the need for spectral analysis of the signal from the output of the photoconverter also leads to a complication of the sensor, and therefore to an increase in its cost.
Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи по созданию волоконно-оптического интерференционного датчика температуры, имеющего простую конструкцию, небольшие весогабаритные характеристики, удобного в использовании и обеспечивающего высокую точность измерения температуры за счет исключения погрешностей, обусловленных нестабильностью источника света и волоконно-оптического тракта.The present invention is aimed at solving the technical problem of creating a fiber-optic interference temperature sensor having a simple structure, small weight and size characteristics, convenient to use, and providing high accuracy of temperature measurement by eliminating errors caused by the instability of the light source and fiber-optic path.
Поставленная задача решена тем, что волоконно-оптический интерференционный датчик содержит низкокогерентный источник света, одномодовый волоконно-оптический разветвитель с первым, вторым и общим ввод-выводами, волоконно-оптический деполяризатор, одномодовый волоконно-оптический ответвитель с четырьмя ввод-выводами, два фотопреобразователя, подключенные своими выходами к входам измерителя отношения сигналов, измерительный термочувствительный оптический элемент и размещенный в термостате опорный термочувствительный оптический элемент, при этом термостат выполнен с возможностью изменения значения стабилизируемой им температуры, а упомянутый выше источник света оптически связан с первым ввод-выводом одномодового волоконно-оптического разветвителя, общий ввод-вывод которого оптически связан с измерительным термочувствительным оптическим элементом, а его второй ввод-вывод через волоконно-оптический деполяризатор оптически связан с первым ввод-выводом одномодового волоконно-оптического ответвителя, второй, третий и четвертый ввод-выводы которого оптически связаны соответственно с опорным термочувствительным оптическим элементом, вторым и первым фотопреобразователями, при этом измерительный и опорный термочувствительные оптические элементы выполнены в виде соответственно первой плоскопараллельной пластины толщиной D1 и второй плоскопараллельной пластины толщиной D2, первая и вторая пластины выполнены из материала, прозрачного в диапазоне длин волн, соответствующих спектру излучения источника света, а толщины пластин удовлетворяют следующему соотношению 2n(Т)·(D1-D2)<Lk, где n(Т) - температурная зависимость показателя преломления материала пластин, а Lk - продольная длина когерентности источника света.The problem is solved in that the fiber-optic interference sensor contains a low-coherent light source, a single-mode fiber-optic coupler with first, second and common I / O, a fiber-optic depolarizer, a single-mode fiber-optic coupler with four I / O, two photoconverters, connected by their outputs to the inputs of the meter, the signal ratios, a measuring thermosensitive optical element and a reference thermosensitive optical electronics located in the thermostat an element, the thermostat being configured to change the value of the temperature stabilized by it, and the aforementioned light source is optically connected to the first input-output of a single-mode fiber-optic splitter, the general input-output of which is optically connected to a measuring thermosensitive optical element, and its second input is the output through the fiber optic depolarizer is optically coupled to the first input-output of a single-mode fiber optic coupler, the second, third and fourth input-output of which is optically are connected respectively to a reference temperature sensing optical element, the second and first photoconverters, wherein the measuring and the reference temperature sensing optical elements are in the form respectively the first plane-parallel plate of thickness D 1 and a second plane-parallel plate of thickness D 2, the first and second plates are made of a material transparent in the range the wavelengths corresponding to the emission spectrum of the light source, and the plate thicknesses satisfy the following relation 2n (T) · (D 1 -D 2 ) <L k , where n (T) is the temperature the urn dependence of the refractive index of the plate material, and L k is the longitudinal coherence length of the light source.
В предпочтительном воплощении изобретения первая и вторая пластины установлены на торце соответствующего каждой из них одномодового оптического волокна, обеспечивающего оптическую связь соответственно с общим ввод-выводом одномодового волоконно-оптического разветвителя и со вторым ввод-выводом одномодового волоконно-оптического ответвителя.In a preferred embodiment of the invention, the first and second plates are mounted on the end face of each of them of a single-mode optical fiber, providing optical communication, respectively, with the common input-output of a single-mode optical fiber splitter and with the second input-output of a single-mode optical fiber coupler.
Преимущество патентуемого волоконно-оптического интерференционного датчика температуры, по сравнению с прототипом, заключается в том, что отсутствие в нем узлов, имеющих достаточно сложную конструкцию (модулятора оптического пути, подвижного зеркала), а также замена светоделительных кубиков на имеющие существенно меньшие размеры элементы волоконной оптики позволили не только упростить конструкцию датчика, но и уменьшить его весогабаритные характеристики. Введение же опорного термочувствительного оптического элемента, а также размещение его в термостате, который выполнен с возможностью изменения значения стабилизируемой им температуры (совместно с другими перечисленными выше существенными признаками), обеспечивают упрощение работы, в частности осуществление настройки интерферометра в оптимальную рабочую точку в каждом конкретном случае. Использование же волоконно-оптического деполяризатора и первого фотопреобразователя обеспечивает устранение погрешности измерений, обусловленных нестабильностью источника света и волоконно-оптического тракта. Что касается установки первой и второй пластин на торце соответствующего каждой из них одномодового оптического волокна, то это также приводит к повышению точности измерений за счет исключения влияния потерь света в зазоре между торцом оптического волокна и передней поверхностью каждой пластины на результаты измерений температуры.The advantage of the patented fiber-optic interference temperature sensor, in comparison with the prototype, is that there are no nodes in it that have a rather complicated structure (optical path modulator, moving mirror), as well as the replacement of beam splitting cubes with elements of fiber optics having significantly smaller sizes allowed not only to simplify the design of the sensor, but also to reduce its weight and size characteristics. The introduction of a reference thermosensitive optical element, as well as its placement in a thermostat, which is made with the possibility of changing the value of the temperature stabilized by it (together with the other essential features listed above), simplify the work, in particular, adjust the interferometer to the optimal operating point in each case . The use of a fiber optic depolarizer and a first photoconverter eliminates measurement errors due to the instability of the light source and the fiber optic path. As for the installation of the first and second plates at the end of the corresponding single-mode optical fiber of each, this also leads to an increase in measurement accuracy by eliminating the influence of light loss in the gap between the end of the optical fiber and the front surface of each plate on the temperature measurement results.
Остальные технические результаты, достигаемые упомянутой выше патентуемой совокупностью существенных признаков, станут ясными из дальнейшего изложения.The remaining technical results achieved by the aforementioned patentable combination of essential features will become clear from the further discussion.
На чертеже схематично изображен волоконно-оптический интерференционный датчик температуры.The drawing schematically shows a fiber optic interference temperature sensor.
Волоконно-оптический интерференционный датчик температуры содержит низкокогерентный источник 1 света, предпочтительно (как в прототипе) суперлюминесцентный диод, одномодовый волоконно-оптический разветвитель 2 с первым 3, вторым 4 и общим ввод-выводами (портами), одномодовый волоконно-оптический ответвитель 6 с первым 7, вторым 8, третьим 9 и четвертым 10 ввод-выводами, первый 11 и второй 12 фотопреобразователи, волоконно-оптический деполяризатор 13, измерительный термочувствительный оптический элемент в виде плоскопараллельной пластины 14 толщиной D1 и выполненной из материала, прозрачного в диапазоне длин волн, соответствующих спектру излучения источника 1 света, и имеющего известные температурные зависимости показателя преломления и линейных размеров, опорный термочувствительный оптический элемент в виде плоскопараллельной пластины 15 толщиной D2, выполненной также из материала, прозрачного в диапазоне длин волн, соответствующих спектру излучения источника света 1, и имеющего известные температурные зависимости показателя преломления и линейных размеров (предпочтительно в обоих упомянутых выше случаях - из кварца), а также термостат 16, выполненный с возможностью изменения (предпочтительно плавного) значения стабилизируемой им температуры. Все перечисленные выше элементы волоконной оптики (одномодовый волоконно-оптический разветвитель 2, одномодовый волоконно-оптический ответвитель 6 и волоконно-оптический деполяризатор) не только известны из уровня техники (см. Т.Окоси и др. Волоконно-оптические датчики. Л.: Энергоатомиздат. Ленинградское отделение, 1991 [3], с.50-51, 56-57, 125-126), но и промышленно выпускаются.The fiber-optic interference temperature sensor contains a low coherent light source 1, preferably (as in the prototype) a superluminescent diode, a single-mode fiber optic splitter 2 with the first 3, second 4 and common input-output (ports), a single-mode fiber optic coupler 6 with the first 7, second 8, third 9 and fourth 10 I / O, first 11 and second 12 photoconverters, fiber optic depolarizer 13, measuring thermosensitive optical element in the form of a plane-parallel plate 14 thick D 1 and made of a material transparent in the wavelength range corresponding to the emission spectrum of the light source 1, and having known temperature dependences of the refractive index and linear dimensions, a reference thermosensitive optical element in the form of a plane-parallel plate 15 of thickness D 2 made also of material, transparent in the wavelength range corresponding to the emission spectrum of the light source 1, and having known temperature dependences of the refractive index and linear dimensions (preferred In both of the cases mentioned above - of quartz), and a thermostat 16 adapted to change (preferably smooth) the values of temperature stabilized them. All of the above elements of fiber optics (single-mode fiber optic splitter 2, single-mode fiber optic coupler 6 and fiber optic depolarizer) are not only known from the prior art (see T. Okosi et al. Fiber Optic Sensors. L .: Energoatomizdat The Leningrad Branch, 1991 [3], pp. 50-51, 56-57, 125-126), but also commercially available.
Перечисленные выше функциональные узлы волоконно-оптического интерференционного датчика температуры посредством соответствующих одномодовых оптических волокон (на чертеже показаны двумя эквидистантно расположенными линиями) оптически связаны между собой следующим образом. Источник 1 света оптически связан с первым ввод-выводом 3 одномодового волоконно-оптического разветвителя 2, общий ввод-вывод 5 которого оптически связан с пластиной 14. Второй ввод-вывод 4 одномодового волоконно-оптического разветвителя 2 через волоконно-оптический деполяризатор 13 оптически связан с первым ввод-выводом 7 одномодового волоконно-оптического ответвителя 6, второй 8, третий 9 и четвертый 10 ввод-выводы которого оптически связаны соответственно с пластиной 15, со вторым фотопреобразователем 12 и с первым фотопреобразователем 11. Пластина 15 размещена в термостате 16, при этом пластины 14 и 15 установлены на торце соответствующего каждой из них одномодового оптического волокна, обеспечивающего оптическую связь соответственно с общим ввод-выводом 5 и вторым ввод-выводом 8. Фотопреобразователи 11 и 12 подключены своими выводами к соответствующим входам измерителя отношения сигналов (на чертеже не показан).The functional units of the fiber-optic interference temperature sensor listed above by means of the corresponding single-mode optical fibers (shown in the drawing by two equidistant lines) are optically interconnected as follows. The light source 1 is optically coupled to a first input / output 3 of a single mode fiber optic coupler 2, the common input / output 5 of which is optically coupled to a plate 14. A second input / output 4 of a single mode fiber optic coupler 2 is optically coupled via a fiber optic depolarizer 13 to the first I / O 7 of the single-mode fiber optic coupler 6, the second 8, the third 9 and the fourth 10 whose I / O are optically connected respectively to the plate 15, to the second photoconverter 12 and to the first photoconverter 11. Pl the plate 15 is placed in the thermostat 16, while the plates 14 and 15 are mounted on the end face of each of them single-mode optical fiber, which provides optical communication with the common input-output 5 and the second input-output 8, respectively. The photoconverters 11 and 12 are connected by their terminals to the corresponding the inputs of the signal ratio meter (not shown in the drawing).
В предпочтительном воплощении изобретения используется термостат 16 на полупроводниковых термоэлектрических элементах (см. Автоматизация производства и промышленная электроника, М.: Советская энциклопедия, т.4, 1965, с.33-34 [4]), обеспечивающих малые габариты, простоту регулировки температуры и невысокую стоимость. Что касается волоконно-оптического деполяризатора, то он (см. [3], с.56-57) выполнен из двух отрезков 17 и 18 одномодового поляризационно удерживающего волокна с соотношением длин 1:2, соосно сваренных друг с другом с поворотом их поляризационных осей на угол 45°. Длины отрезков 17 и 18 подобраны таким образом, чтобы гарантировать разбежку ортогональных мод на длину, большую продольной длины когерентности источника 1 света.In a preferred embodiment of the invention, a thermostat 16 is used on semiconductor thermoelectric elements (see Automation of production and industrial electronics, M .: Soviet Encyclopedia, v.4, 1965, pp. 33-34 [4]), which provide small dimensions, ease of temperature adjustment, and low cost. As for the fiber-optic depolarizer, it (see [3], pp. 56-57) is made of two segments 17 and 18 of a single-mode polarization-retaining fiber with a ratio of lengths 1: 2, coaxially welded to each other with rotation of their polarizing axes at an angle of 45 °. The lengths of the segments 17 and 18 are selected in such a way as to guarantee the separation of the orthogonal modes to a length greater than the longitudinal coherence length of the light source 1.
Волоконно-оптический интерференционный датчик температуры работает следующим образом. Излучение с продольной длиной когерентности - Lк от источника 1 света поступает сначала на первый ввод-вывод 3 одномодового волоконно-оптического разветвителя 2, а далее с его общего ввод-вывода 5 по соответствующему одномодовому оптическому волокну направляется на расположенную на его торце пластину 14. Падающее на пластину 14 излучение отражается от обеих ее поверхностей. В результате обратно в одномодовое оптическое волокно, оптически сопряженное с общим ввод-выводом 5, возвращаются две световые волны, отраженные соответственно от передней и задней поверхностей пластины 14 и имеющие оптическую разность хода L1(t)=2D1·n(T), где n(T) - зависимость показателя преломления материала пластины от температуры - Т, при этом L1(T)>Lk. Здесь принято во внимание, что вклад термического изменения толщины - D1 пластины 14 из кварца в изменение оптической разности хода с изменением температуры составляет всего несколько процентов по сравнению с температурным изменением показателя преломления (см. А.Н.Магунов. Лазерная термометрия твердых тел, М.: Физматлит, 2002 [5]). Достигшая второго ввод-вывода 4 одномодового волоконно-оптического разветвителя 2 часть этих волн направляется через волоконно-оптический деполяризатор 13 на первый ввод-вывод 7 одномодового волоконно-оптического ответвителя 6. Необходимость использования волоконно-оптического деполяризатора 13 обусловлена, с одной стороны, зависимостью коэффициента деления одномодового волоконно-оптического ответвителя 6 от состояния поляризации света на его ввод-выводе 7, а с другой стороны, состояние поляризации света в одномодовом оптическом волокне может быть произвольным и зависящим от внешних воздействий (скрутки, изгиба, температуры и т.д.).Fiber optic interference temperature sensor operates as follows. Radiation with a longitudinal coherence length - L k from the light source 1 is first supplied to the first input-output 3 of a single-mode optical fiber splitter 2, and then from its general input-output 5 through the corresponding single-mode optical fiber is directed to the plate 14 located on its end. The radiation incident on the plate 14 is reflected from both of its surfaces. As a result, two light waves returning respectively from the front and rear surfaces of the plate 14 and having an optical travel difference L 1 (t) = 2D 1 · n (T) are returned back to the single-mode optical fiber optically coupled to a common input-output 5, where n (T) is the temperature dependence of the refractive index of the plate material, T, with L 1 (T)> L k . Here it is taken into account that the contribution of the thermal change in thickness - D 1 of the quartz plate 14 to the change in the optical path difference with temperature is only a few percent compared with the temperature change in the refractive index (see A.N. Magunov. Laser thermometry of solids, M .: Fizmatlit, 2002 [5]). Having reached the second input-output 4 of a single-mode fiber optic coupler 2, part of these waves is directed through a fiber-optic depolarizer 13 to the first input-output 7 of a single-mode fiber-optic coupler 6. The need to use a fiber-optic depolarizer 13 is caused, on the one hand, by the dependence of the coefficient the division of a single-mode fiber optic coupler 6 from the state of polarization of light at its input-output 7, and on the other hand, the state of polarization of light in a single-mode optical fiber e can be arbitrary and independent of external influences (twisting, bending, temperature, etc.).
В результате введения в патентуемое устройство волоконно-оптического деполяризатора 13 обеспечивается исключение влияния флуктуации состояния поляризации света, прошедшего измерительный участок, на результаты измерений температуры, поскольку на первый ввод-вывод 7 одномодового волоконно-оптического ответвителя 6 поступает неполяризованный свет.The introduction of a fiber optic depolarizer 13 into the patented device eliminates the influence of fluctuations in the polarization state of the light that has passed the measuring section on the temperature measurement results, since unpolarized light arrives at the first input-output 7 of the single-mode fiber optic coupler 6.
После одномодового волоконно-оптического ответвителя 6 часть упомянутых выше световых волн направляется с его второго ввод-вывода 8 на пластину 15, а другая часть этих же световых волн направляется с четвертого ввод-вывода 10 на фотопреобразователь 11. Поскольку поступающие на фотопреобразователь 11 оптические волны имеют оптическую разность хода, превышающую Lk источника 1 света, то на фотопреобразователе 11 интерференция будет отсутствовать, а сигнал с его выхода будет содержать информацию о флуктуациях излучения источника 1 света, а также об оптических потерях, имеющих место в измерительном участке патентуемого устройства. При этом, как уже отмечалось выше, введение волоконно-оптического деполяризатора 13 обеспечивает независимость сигнала с выхода фотопреобразователя 11 от флуктуаций состояния поляризации света, прошедшего измерительный участок. Каждая из падающих на пластину 15 световая волна отражается от обеих ее поверхностей. В результате на второй ввод-вывод 8 одномодового волоконно-оптического ответвителя обратно возвращаются четыре световые волны, а именно две световые волны, отраженные от передней поверхности пластины 15, и две световые волны, отраженные от задней поверхности пластины 15. После разветвления часть этих четырех световых волн с третьего ввод-вывода 9 одномодового волоконно-оптического ответвителя 6 поступает на фотопреобразователь 12. При этом световая волна, отраженная сначала от задней поверхности пластины 14, а затем - от передней поверхности пластины 15, будет интерферировать со световой волной, отраженной сначала от передней поверхности пластины 14, а затем - от задней поверхности пластины 15, если L1(Т)-L2(Т)<Lk, где L2(T)=2D2·n(T) - оптическая разность хода волн, образующихся из световой волны, отраженной от передней поверхности пластины 14, после ее отражения от передней и задней поверхностей пластины 15. Таким образом, при толщине пластин 14 и 15, удовлетворяющих соотношению: 2n(T)·(D1-D2)<Lk, на фотопреобразователе будет наблюдаться интерференция упомянутых выше волн, а сигнал на его выходе (в случае использования источника 1 света, имеющего спектральную плотность мощности, описываемую функцией Гаусса) будет иметь вид:After a single-mode fiber optic coupler 6, part of the above-mentioned light waves is sent from its second I / O 8 to the plate 15, and another part of the same light waves is sent from the fourth I / O 10 to the photoconverter 11. Since the optical waves arriving at the photoconverter 11 have an optical path difference greater than L k light source 1, the photoconverter 11 on the interference is absent, and its output signal will contain information about the fluctuations of the source of light radiation 1, and b optical losses occurring in the measuring section of the claimed device. In this case, as already noted above, the introduction of fiber-optic depolarizer 13 ensures the independence of the signal from the output of the photoconverter 11 from fluctuations in the state of polarization of light transmitted through the measuring section. Each of the light waves incident on the plate 15 is reflected from both of its surfaces. As a result, four light waves, namely two light waves reflected from the front surface of the plate 15, and two light waves reflected from the back surface of the plate 15, return to the second input-output 8 of the single-mode fiber optic coupler 15. After branching, part of these four light waves from the third input-output 9 of a single-mode fiber optic coupler 6 is fed to the photoconverter 12. In this case, the light wave reflected first from the rear surface of the plate 14, and then from the front surface plate 15 will interfere with the light wave reflected first from the front surface of the plate 14, and then from the back surface of the plate 15, if L 1 (T) -L 2 (T) <L k , where L 2 (T) = 2D 2 · n (T) is the optical path difference of the waves generated from the light wave reflected from the front surface of the plate 14, after its reflection from the front and rear surfaces of the plate 15. Thus, with the thickness of the plates 14 and 15, satisfying the ratio: 2n ( T) · (D 1 -D 2) <L k, will be observed on phototransformator interference waves mentioned above, and the signal at its vyho e (in the case of using the light source 1 having a power spectral density is described by a Gaussian function) has the form:
I[L1(Т)-L2(Tт)]=Io[ехр(-[L1(Т)-L2(Tт)]2/(2Lk 2))]·cos{2k[L1(T)-L2(Тт)]}, где k=2π/λo - центральная длина волны излучения источника 1 света, Т - температура контролируемого объекта, в тепловом контакте с которым размещена пластина 14, Tт - температура термостата 16, в котором размещена пластина 15. Из приведенного выше выражения следует, что сигнал с выхода фотопреобразователя 12 зависит от интенсивности света источника 1 света и разности температур пластин 14 и 15. Отношение же сигналов - S с выходов фотопреобразователей 12 и 11 определяется только разностью оптических разностей ходов L1(Т) и L2 (Tт), а следовательно, разностью температур пластин 14 и 15, а именно:I [L 1 (T) -L 2 (T t )] = I o [exp (- [L 1 (T) -L 2 (T t )] 2 / (2L k 2 ))] cos {2k [ L 1 (T) -L 2 (T t )]}, where k = 2π / λ o is the central wavelength of the radiation of light source 1, T is the temperature of the controlled object, in thermal contact with which the plate 14 is placed, T t is the temperature the thermostat 16, in which the plate 15 is placed. From the above expression it follows that the signal from the output of the photoconverter 12 depends on the light intensity of the light source 1 and the temperature difference of the plates 14 and 15. The ratio of the signals S from the outputs of the photoconverters 12 and 11 is determined only by the difference optical their differences strokes L 1 (T) and L2 (T t), and hence the temperature difference plates 14 and 15, namely:
S=А+В{ехр[-[L1(Т)-L2(Tт)]2/(2Lk 2)]}·cos{2k[L1(Т)-L2(Тт)]}, где постоянные А и В зависят от коэффициентов отражения света от поверхностей пластин 14 и 15, которые практически не зависят от температуры.S = A + B {exp [- [L 1 (T) -L 2 (T t )] 2 / (2L k 2 )]} cos {2k [L 1 (T) -L 2 (T t )] }, where the constants A and B depend on the reflection coefficients of light from the surfaces of the plates 14 and 15, which are practically independent of temperature.
Таким образом, патентуемое устройство обеспечивает получение сигнала, зависящего от разности температур пластин 14 и 15 и не зависящего от нестабильности источника 1 света и волоконно-оптического тракта. Иными словами, обеспечивается устранение погрешностей измерения температуры объекта, обусловленных нестабильностью источника 1 света и волоконно-оптического тракта.Thus, the patented device provides a signal that depends on the temperature difference of the plates 14 and 15 and does not depend on the instability of the light source 1 and the fiber optic path. In other words, the elimination of errors in measuring the temperature of the object due to the instability of the light source 1 and the fiber optic path.
Аналогично тому, как в [1], патентуемый волоконно-оптический интерференционный датчик температуры должен работать (для обеспечения однозначности показаний) в пределах одного полупериода интерференционных полос, при этом, изменяя с помощью термостата 16 температуру Tт пластины 15, можно осуществить настройку интерферометра в оптимальную рабочую точку в каждом конкретном случае. Таким образом, патентуемое устройство не требует сложной обработки сигналов с выходов фотопреобразователей 11 и 12 (требуется только измеритель отношения сигналов), имеет небольшие весогабаритные параметры, а также позволяет легко производить настройку интерферометра в оптимальную рабочую точку.In the same way as in [1], the patented fiber-optic interference temperature sensor must work (to ensure unambiguous readings) within one half-period of the interference bands, and by changing the temperature T t of the plate 15 using the thermostat 16, it is possible to adjust the interferometer to optimal operating point in each case. Thus, the patented device does not require complex signal processing from the outputs of the photoconverters 11 and 12 (only a signal ratio meter is required), has small weight and size parameters, and also makes it easy to adjust the interferometer to the optimal operating point.
В заключение необходимо отметить, что в общем случае изменение оптической толщины пластин 14 и 15 описывается выражением:In conclusion, it should be noted that in the General case, the change in the optical thickness of the plates 14 and 15 is described by the expression:
где D(T0) и n(T0) - толщина и коэффициент преломления при температуре, равной Т0. Что касается максимального рабочего диапазона ΔТ измерений, то он определяется выражением:where D (T 0 ) and n (T 0 ) is the thickness and refractive index at a temperature equal to T 0 . As for the maximum working range ΔT measurements, it is determined by the expression:
Иными словами толщина пластин 14 и 15 будет определять диапазон измеряемых температур.In other words, the thickness of the plates 14 and 15 will determine the range of measured temperatures.
Промышленная применимость патентуемого устройства подтверждается также известностью используемых в нем элементов волоконной оптики.The industrial applicability of the patented device is also confirmed by the popularity of the elements of fiber optics used in it.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011122914/28A RU2466366C1 (en) | 2011-06-07 | 2011-06-07 | Fibre-optic interference temperature sensor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011122914/28A RU2466366C1 (en) | 2011-06-07 | 2011-06-07 | Fibre-optic interference temperature sensor |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2466366C1 true RU2466366C1 (en) | 2012-11-10 |
Family
ID=47322357
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2011122914/28A RU2466366C1 (en) | 2011-06-07 | 2011-06-07 | Fibre-optic interference temperature sensor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2466366C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU229232U1 (en) * | 2024-05-02 | 2024-09-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Квантум-Центр" | Fiber optic interference differential temperature sensor |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004028748A (en) * | 2002-06-25 | 2004-01-29 | Hitachi Cable Ltd | Method and instrument for measuring temperature |
| RU2256890C1 (en) * | 2004-03-03 | 2005-07-20 | Мешковский Игорь Касьянович | Fiber-optic temperature sensor |
| RU2272259C1 (en) * | 2004-08-02 | 2006-03-20 | Федор Андреевич Егоров | Fiber-optic thermometer |
-
2011
- 2011-06-07 RU RU2011122914/28A patent/RU2466366C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004028748A (en) * | 2002-06-25 | 2004-01-29 | Hitachi Cable Ltd | Method and instrument for measuring temperature |
| RU2256890C1 (en) * | 2004-03-03 | 2005-07-20 | Мешковский Игорь Касьянович | Fiber-optic temperature sensor |
| RU2272259C1 (en) * | 2004-08-02 | 2006-03-20 | Федор Андреевич Егоров | Fiber-optic thermometer |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU229232U1 (en) * | 2024-05-02 | 2024-09-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Квантум-Центр" | Fiber optic interference differential temperature sensor |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN102564317A (en) | High-accuracy remote absolute displacement measurement system based on optical fiber composite interference | |
| CN104634256A (en) | Fiber laser single-wave self-mixing interference displacement measuring system | |
| Peng | A novel scheme for hundred-hertz linewidth measurements with the self-heterodyne method | |
| JP7554291B2 (en) | Temperature measurement system and method utilizing transmission of an optical signal through an optical interferometer - Patents.com | |
| Moreno-Hernández et al. | Long-range interferometric displacement sensing with tapered optical fiber tips | |
| CN106940220A (en) | A kind of wavelength real-time measurement apparatus of Simple low-cost | |
| CN104677296A (en) | System for measurement of displacement through self-mixing interference fusion of beat waves and single waves of fiber laser | |
| EP2986929B1 (en) | Interferometric distance sensing device and method | |
| CN102253389A (en) | He-Ne laser birefringent outer cavity feedback displacement measurement system | |
| RU2307318C1 (en) | Interferometer measuring device (variants) | |
| Chen et al. | Refractive index measurement with high precision by a laser diode self-mixing interferometer | |
| RU2466366C1 (en) | Fibre-optic interference temperature sensor | |
| Imran et al. | Measurement of the group-delay dispersion of femtosecond optics using white-light interferometry | |
| NO323869B1 (en) | Apparatus and method of pressure painting | |
| JPH06241929A (en) | Optical fiber sensor | |
| TWI858261B (en) | Temperature measurement system and method using optical signal transmission through an optical interferometer | |
| RU187697U1 (en) | Polariton device for measuring the temperature gradient | |
| RU2082119C1 (en) | Fiber-optical multiplexer which measures temperature | |
| RU2313066C1 (en) | Interferometric mode of measuring the thickness and the values of refraction of transparent objects | |
| CN108716928A (en) | A kind of three glistening light of waves fibre laser self-mixing interference measuring systems | |
| CN109000691A (en) | A kind of three glistening light of waves fibre laser self-mixing interference measurement methods | |
| Nath et al. | Fiber optic refractometers: A brief qualitative review | |
| Chatterjee et al. | Multipoint Monitoring of Instantaneous Amplitude, Frequency, Phase and Sequence of Vibrations Using Concatenated Modal Interferometers | |
| Wang et al. | Polyhedron Biosensor Based on the Surface Plasmon Resonance technology in Heterodyne Interferometry | |
| Ushakov et al. | Utilization of NI PXIe-4844 interrogator for high resolution fiber extrinsic Fabry-Perot interferometric sensing |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20150608 |