RU2497090C2

RU2497090C2 - Method for measurement of medium pulse pressure and device for its realisation (versions)

Info

Publication number: RU2497090C2
Application number: RU2012102659/28A
Authority: RU
Inventors: Александр Михайлович Петренко
Priority date: 2012-01-25
Filing date: 2012-01-25
Publication date: 2013-10-27
Also published as: RU2012102659A

Abstract

FIELD: measurement equipment.

SUBSTANCE: in the method for measurement of pulse pressure for modulation of a metering beam they use variances of optical length of its path in the area of measurements in the area of measurements under action of pressure disturbances with stable geometric parameters - cross section and geometric length of this path. The device comprises a source of light and a photo register, which are connected with a double-arm interferometer. In the metering arm of the interferometer there is a break, which limits the zone of measurements, open into the medium, along which metered pressure disturbances are spread.

EFFECT: non-sensitivity of a device towards electromagnetic and mechanical noise and vibrations.

13 cl, 15 dwg

Description

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к оптическим интерферометрическим способам измерения импульсных давлений, а также к устройствам для их осуществления и может найти применение при создании систем акустического мониторинга окружающей среды, акустических систем распознавания различных объектов, систем акустического контроля работы двигателей и различного технологического оборудования, в гидроакустике, аэродинамике.The invention relates to the field of engineering, in particular to optical interferometric methods for measuring pulsed pressures, as well as to devices for their implementation and may find application in the creation of acoustic monitoring systems for the environment, acoustic recognition systems for various objects, acoustic monitoring systems for engines and various technological equipment , in hydroacoustics, aerodynamics.

Известны оптические интерферометрические способы измерения импульсных давлений, при которых регистрируются изменения картины интерференции измерительного и опорного лучей, обусловленные изменениями их разности хода, вызванными вариациями давления. Устройства, реализующие эти способы, содержат оптическую и инерционную механическую подсистемы. При этом оптическая подсистема строится на основе оптической схемы того или иного интерферометра. Механическую подсистему устанавливают в измерительное плечо интерферометра. Механическая инерционная подсистема под действием поступающих возмущений давления испытывает переменные упругие деформации. Это вызывает изменения геометрической и оптической длины пути измерительного луча, и сопровождается модуляцией разности фаз между измерительным и опорным лучами интерферометра и регистрируемыми сдвигами полос интерференции в поле фоторегистратора. В [1] оптическая подсистема построена по схеме интерферометра Майкельсона. В качестве инерционной подсистемы используется упругая, отражающая свет мембрана, которую устанавливают в измерительное плечо интерферометра. При поступлении сигнала мембрана деформируется, меняется форма ее отражающей поверхности, соответственно меняется геометрическая и оптическая длина пути луча в измерительном плече. Это приводит к регистрируемой модуляции разности фаз между измерительным и опорным лучами интерферометра. Устройство [1] нечувствительно к электромагнитным помехам, и хорошо работает в узкой области низких частот. Однако при приеме широкополосных сигналов неизбежны искажения в области высоких частот из-за резонаторных свойств мембраны. Ее инерционные свойства обусловливают чувствительность устройства к механическим помехам и вибрациям. В [2] в качестве основы оптической подсистемы используется двухзеркальный автоколлимационный интерферометр с газовым лазером в качестве источника света, а в качестве инерционной механической подсистемы используется акустический элемент в виде стержня. Этот стержень установлен в области измерительного луча интерферометра так, что его продольная ось отклонена от оптической оси лазера. Оба торца стержня плоскопараллельны и отполированы. Ближний к лазеру торец служит отражателем опорного луча. Дальний торец служит как отражателем измерительного луча, так и приемником возмущений давления. При поступлении импульса давления он вызывает смещение отражающего торца и продольную упругую деформацию стержня. При этом изменяется геометрическая и оптическая длина пути измерительного луча. За счет этого меняется фаза измерительного луча, отраженного от дальнего торца, который интерферирует с опорным лучом. Оба луча поворотным зеркалом направляются на фоторегистратор. Данное устройство нечувствительно к электромагнитным возмущениям. Оно также нечувствительно к вибрациям. Его недостаток в том, что длительность регистрируемого сигнала ограничена временем распространения упругого возмущения в стержне. Сигнал большей длительности забивается помехами, обусловленными его отражениями внутри стержня от торцов. Кроме того, стержень обладает резонаторными свойствами, что приводит к искажению спектра регистрируемого сигнала в низкочастотной области. Эти недостатки обусловлены резонаторными и инерционными свойствами принимающих измеряемые импульсные давления механических инерционных подсистем.Optical interferometric methods for measuring pulsed pressures are known, in which changes in the interference pattern of the measuring and reference beams are recorded due to changes in their path difference caused by pressure variations. Devices that implement these methods contain optical and inertial mechanical subsystems. In this case, the optical subsystem is built on the basis of the optical scheme of one or another interferometer. The mechanical subsystem is installed in the measuring arm of the interferometer. The mechanical inertial subsystem under the action of incoming pressure disturbances experiences variable elastic deformations. This causes changes in the geometric and optical path lengths of the measuring beam, and is accompanied by modulation of the phase difference between the measuring and reference beams of the interferometer and the recorded shifts of the interference bands in the field of the photorecorder. In [1], the optical subsystem was constructed according to the Michelson interferometer scheme. As an inertial subsystem, an elastic, light-reflecting membrane is used, which is installed in the measuring arm of the interferometer. Upon receipt of a signal, the membrane is deformed, the shape of its reflecting surface changes, and the geometric and optical path lengths of the beam in the measuring arm change accordingly. This leads to a registered modulation of the phase difference between the measuring and reference beams of the interferometer. The device [1] is insensitive to electromagnetic interference, and works well in a narrow region of low frequencies. However, when receiving wideband signals, distortions in the high frequency region are inevitable due to the resonator properties of the membrane. Its inertial properties determine the sensitivity of the device to mechanical noise and vibration. In [2], a two-mirror autocollimation interferometer with a gas laser as a light source is used as the basis of the optical subsystem, and an acoustic element in the form of a rod is used as the inertial mechanical subsystem. This rod is mounted in the region of the measuring beam of the interferometer so that its longitudinal axis is deflected from the optical axis of the laser. Both ends of the rod are plane parallel and polished. The end face closest to the laser reflects the reference beam. The far end serves as both a reflector of the measuring beam and a receiver of pressure disturbances. When a pressure pulse arrives, it causes a displacement of the reflecting end and longitudinal elastic deformation of the rod. In this case, the geometric and optical path lengths of the measuring beam are changed. Due to this, the phase of the measuring beam is reflected, reflected from the far end, which interferes with the reference beam. Both beams are rotated by a mirror to the photorecorder. This device is insensitive to electromagnetic disturbances. It is also insensitive to vibrations. Its disadvantage is that the duration of the recorded signal is limited by the propagation time of the elastic disturbance in the rod. A longer signal is clogged by interference due to its reflections inside the rod from the ends. In addition, the rod has resonator properties, which leads to distortion of the spectrum of the recorded signal in the low-frequency region. These shortcomings are caused by the resonant and inertial properties of the mechanical inertial subsystems receiving measured pulsed pressures.

Задачей изобретения является обеспечение возможности измерения и регистрации импульсов давлений, а также акустических сигналов произвольной длительности и различного спектрального состава без искажений по амплитуде и спектру в оптически прозрачных средах при условии нечувствительности к вибрациям и электромагнитным помехам.The objective of the invention is to provide the possibility of measuring and recording pressure pulses, as well as acoustic signals of arbitrary duration and various spectral composition without distortion in amplitude and spectrum in optically transparent environments, provided that it is insensitive to vibrations and electromagnetic interference.

Поставленная задача решается следующим образом. В предлагаемом способе измерения импульсного давления среды, включающем модуляцию характеристик регистрирующего излучения под действием импульса давления, для модуляции оптической длины пути регистрирующего излучения используют изменения показателя преломления среды под действием возмущений давления в области измерительного луча. При этом, в противоположность известным оптическим интерферометрическим способам измерения давления, в процессе измерений геометрические параметры измерительного луча не изменяются.The problem is solved as follows. In the proposed method for measuring the pulsed pressure of the medium, including modulating the characteristics of the recording radiation under the influence of a pressure pulse, to modulate the optical path length of the recording radiation, changes in the refractive index of the medium under the influence of pressure perturbations in the region of the measuring beam are used. In this case, in contrast to the known optical interferometric methods for measuring pressure, the geometric parameters of the measuring beam do not change during the measurement process.

Для осуществления этого способа предлагается устройство в двух вариантах. В первом из них устройство содержит источник света и фотоприемник, которые соединены двухплечевым волоконным интерферометром. Во втором варианте используют двухплечевой волоконный поляризационный интерферометр, выполненный так, что измерительный и опорный лучи характеризуются круговой поляризацией в противоположных направлениях. На вход интерферометра подают циркулярно поляризованный свет. На выходе интерферометра оба луча соединяются, и суммарное излучение характеризуется линейной поляризацией. Прежде, чем попасть в фотоприемник, суммарное излучение проходит через анализатор, определяющий поворот плоскости поляризации. В первом и во втором варианте измерительное плечо интерферометра выполнено с открытым в исследуемую оптически прозрачную среду разрывом, края которого скрепляют, как одно целое. Через этот разрыв беспрепятственно проходят поступающие возмущения давления, которые требуется измерить. Возмущения давления обусловливают изменения показателя преломления среды, благодаря чему, при их прохождении через указанный разрыв осуществляется безинерционная модуляция оптической длины пути измерительного луча. При этом в процессе измерений геометрические параметры измерительного луча не меняются. Это обеспечивается тем, что края разрыва закрепляют, как одно целое, чем также обеспечивается нечувствительность к вибрациям. Геометрическая длина пути измерительного луча может изменяться только в процессе настройки. В первом варианте изменения оптической длины пути измерительного луча под действием возмущений давления сопровождаются регистрируемой модуляцией разности фаз между измерительным и опорным лучами. Во втором - эти изменения сопровождаются поворотами плоскости поляризации суммарного излучения, которые в фотоприемнике регистрируются, как изменения интенсивности.To implement this method, a device in two versions. In the first of them, the device contains a light source and a photodetector, which are connected by a two-arm fiber interferometer. In the second embodiment, a two-arm fiber polarizing interferometer is used so that the measuring and reference beams are characterized by circular polarization in opposite directions. The input of the interferometer serves circularly polarized light. At the output of the interferometer, both beams are connected, and the total radiation is characterized by linear polarization. Before getting into the photodetector, the total radiation passes through the analyzer, which determines the rotation of the plane of polarization. In the first and second versions, the measuring arm of the interferometer is made with a gap open into the studied optically transparent medium, the edges of which are fastened together as a whole. Through this gap, the incoming pressure perturbations pass unobstructed, which must be measured. Pressure perturbations cause changes in the refractive index of the medium, due to which, when they pass through the specified gap, inertialess modulation of the optical path length of the measuring beam is carried out. Moreover, during the measurement process, the geometric parameters of the measuring beam do not change. This is ensured by the fact that the edges of the gap are fixed as a whole, which also ensures insensitivity to vibrations. The geometric path length of the measuring beam can only be changed during the setup process. In the first version, changes in the optical path length of the measuring beam under the influence of pressure disturbances are accompanied by registered modulation of the phase difference between the measuring and reference rays. In the second, these changes are accompanied by rotations of the plane of polarization of the total radiation, which are recorded in the photodetector as changes in intensity.

Вариант первый. Устройство для осуществления способа измерения импульсного давления содержит источник излучения и фотоприемник, соединенные двухплечевым волоконным интерферометром с краями открытого в среду с возмущениями давления разрыва измерительного плеча, закрепленными в жестком корпусе (в дальнейшем называется приемным) с пропускающим регистрируемые возмущения окном, в котором модулятором разности фаз между опорным и измерительным лучами служит среда между краями разрыва. Этот корпус ограничивает зону измерений. В нем закреплены, как одно целое, края разрыва волоконного канала измерительного плеча так, чтобы измерительный луч проходил поперек пропускного окна. Приемный корпус может быть выполнен однопроходным - в нем измерительное излучение проходит один раз, либо многопроходным - излучение в нем проходит более одного раза. В опорное плечо интерферометра может быть вставлен вспомогательный корпус, такой же, как приемный корпус в измерительном плече, но закрытый от воздействий возмущений давления. Возмущения давления изменяют показатель преломления среды и при прохождении сквозь пропускное окно вызывают изменения оптической длины пути измерительного луча. Это сопровождается регистрируемой модуляцией разности фаз между опорным и измерительным лучом интерферометра. При этом геометрическая длина пути измерительного луча не меняется.Option one. A device for implementing a method of measuring pulsed pressure comprises a radiation source and a photodetector connected by a two-arm fiber interferometer with the edges of the measuring arm discontinuity open to the medium with pressure perturbations, fixed in a rigid case (hereinafter referred to as the receiver) with a window that transmits recorded disturbances with a phase difference modulator between the reference and measuring beams is the medium between the edges of the gap. This enclosure limits the measurement area. It fixes, as a whole, the rupture edges of the fiber channel of the measuring arm so that the measuring beam passes across the passage window. The receiving case can be made single-pass - in it the measuring radiation passes once, or multi-pass - the radiation in it passes more than once. An auxiliary housing can be inserted into the supporting arm of the interferometer, the same as the receiving housing in the measuring arm, but closed from the effects of pressure disturbances. Pressure perturbations change the refractive index of the medium and, when passing through the passageway, cause changes in the optical path length of the measuring beam. This is accompanied by a registered modulation of the phase difference between the reference and the measuring beam of the interferometer. In this case, the geometric path length of the measuring beam does not change.

Вариант второй. Устройство для осуществления способа измерения импульсного давления содержит источник излучения и фотоприемник, соединенные двухплечевым волоконным поляризационным интерферометром с краями открытого в среду с возмущениями давления разрыва измерительного плеча, закрепленными в приемном корпусе с пропускающим регистрируемые возмущения окном, в котором модулятором угла поворота плоскости поляризации суперпозиции опорного и измерительного лучей служит среда между краями разрыва. Интерферометр выполнен так, что по обоим его плечам распространяется циркулярно поляризованное излучение с противоположными направлениями циркуляции. Перед входом в фоторегистратор световые потоки двух плеч соединяются, и суммарное излучение оказывается плоскополяризованным. Угол поворота плоскости поляризации результирующего излучения зависит от разности фаз между измерительным и опорным лучами. Под воздействием поступающих импульсов давления, беспрепятственно проходящих через разрыв измерительного плеча интерферометра, меняется показатель преломления среды. Соответственно этому меняется оптическая длина пути измерительного луча в зоне измерений, меняется разность фаз между измерительным и опорным лучами и угол поворота плоскости поляризации суммарного излучения. При этом геометрическая длина пути измерительного луча не меняется. Таким образом осуществляется безинерционная модуляция угла поворота плоскости поляризации суммарного излучения. Эта модуляция регистрируется фотоприемником, как вариации интенсивности излучения.Option two. A device for implementing a method for measuring pulsed pressure comprises a radiation source and a photodetector connected by a two-arm fiber polarizing interferometer with the edges of the measuring arm discontinuity open to the medium with pressure perturbations, fixed in the receiving case with a window that transmits recorded disturbances, in which the superposition of the reference and The measuring beam serves as a medium between the edges of the gap. The interferometer is designed in such a way that circularly polarized radiation with opposite directions of circulation propagates along both of its arms. Before entering the photorecorder, the light streams of the two arms are connected, and the total radiation is plane-polarized. The angle of rotation of the plane of polarization of the resulting radiation depends on the phase difference between the measuring and reference beams. Under the influence of incoming pressure pulses, freely passing through the gap of the measuring arm of the interferometer, the refractive index of the medium changes. Accordingly, the optical path length of the measuring beam in the measurement zone changes, the phase difference between the measuring and reference beams and the angle of rotation of the plane of polarization of the total radiation change. In this case, the geometric path length of the measuring beam does not change. Thus, inertialess modulation of the angle of rotation of the plane of polarization of the total radiation is carried out. This modulation is recorded by the photodetector as a variation in the radiation intensity.

В измерительное плечо может быть вставлен указанный выше приемный корпус, в котором зафиксирован, как одно целое, разрыв волоконного канала интерферометра. В опорное плечо интерферометра может быть вставлен вспомогательный корпус, такой же, как приемный корпус в измерительном плече, но закрытый от воздействий исследуемого возмущения давления.The aforementioned receiving housing may be inserted into the measuring arm, in which the interruption of the fiber channel of the interferometer is fixed as a whole. An auxiliary housing can be inserted into the supporting arm of the interferometer, the same as the receiving housing in the measuring arm, but closed from the effects of the pressure disturbance under study.

Технический результат от использования изобретения заключается в обеспечении возможности измерения быстропеременных импульсов давления произвольной длительности с широкополосным спектром без искажений по амплитуде и спектру, в нечувствительности к вибрациям и электромагнитным помехам, в упрощении конструкции устройства для осуществления измерений импульсного давления, поскольку изымается из его состава механическая инерционная подсистема, в повышении его жесткости и устойчивости по отношению к внешним воздействиям.The technical result from the use of the invention lies in the possibility of measuring rapidly changing pressure pulses of arbitrary duration with a broadband spectrum without distortion in amplitude and spectrum, insensitive to vibrations and electromagnetic interference, in simplifying the design of the device for measuring pulse pressure, since the mechanical inertia is removed from its composition subsystem, in increasing its rigidity and stability in relation to external influences.

Указанный результат достигается тем, что регистрируемая модуляция оптической длины пути измерительного излучения в устройстве осуществляется при прохождении возмущений давления через открытый разрыв измерительного плеча интерферометра за счет обусловленного ими изменения показателя преломления среды. Причем, края разрыва жестко закрепляют, как одно целое, так, что их движение под влиянием измеряемого возмущения давления или вибраций не оказывает влияния на геометрические параметры измерительного луча и на процесс измерения. Этим обеспечивается также нечувствительность предлагаемого устройства к механическим помехам и вибрациям.This result is achieved by the fact that the registered modulation of the optical path length of the measuring radiation in the device is carried out when the pressure disturbances pass through the open gap of the measuring arm of the interferometer due to a change in the refractive index of the medium caused by them. Moreover, the edges of the gap are rigidly fixed, as a whole, so that their movement under the influence of the measured pressure disturbance or vibration does not affect the geometric parameters of the measuring beam and the measurement process. This also ensures the insensitivity of the proposed device to mechanical noise and vibration.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где:The essence of the invention is illustrated by drawings, where:

на фиг.1 изображено во фронтальной плоскости относящееся к варианту 1 заявленное устройство с цельным однопроходным приемным корпусом, собранным в измерительном плече волоконного интерферометра с фазовой модуляцией;figure 1 shows in the frontal plane related to option 1 of the claimed device with a solid single-pass receiving case, assembled in the measuring arm of a fiber interferometer with phase modulation;

на фиг.2 изображен во фронтальной плоскости приемный корпус с зеркальным блоком с четной кратностью отражений измерительного луча, используемый в заявленных устройствах вариантов 1, 2;figure 2 shows in the frontal plane of the receiving housing with a mirror unit with an even multiplicity of reflections of the measuring beam used in the claimed devices of options 1, 2;

на фиг.3 изображен во фронтальной плоскости составной однопроходной приемный корпус, используемый в заявленных устройствах вариантов 1, 2;figure 3 shows in the frontal plane of the composite single-pass receiving case used in the claimed devices of options 1, 2;

на фиг.4 изображен во фронтальной плоскости составной трехпроходный приемный корпус с двумя уголковыми отражателями, используемый в заявленных устройствах вариантов 1, 2;figure 4 shows in the frontal plane of the composite three-pass receiving case with two corner reflectors used in the claimed devices of options 1, 2;

на фиг.5 изображено относящееся к варианту 1 заявленное устройство, в котором в обоих плечах интерферометра используются одинаковые зеркальные блоки с четным числом отражений или одинаковые составные корпуса с четным числом уголковых отражателей, или одинаковые цельные однопроходные корпуса;figure 5 shows the claimed device related to option 1, in which the same mirror blocks with an even number of reflections or the same composite cases with an even number of corner reflectors, or the same solid single-pass cases are used in both arms of the interferometer;

на фиг.6 изображено во фронтальной плоскости относящееся к варианту 1 заявленное устройство с цельным двухпроходным приемным корпусом, содержащим зеркальный элемент, собранным в измерительном плече волоконного интерферометра с фазовой модуляцией;figure 6 shows in the frontal plane related to option 1 of the claimed device with a solid two-pass receiving housing containing a mirror element assembled in the measuring arm of a fiber interferometer with phase modulation;

на фиг.7 изображен во фронтальной плоскости приемный корпус с зеркальным блоком с нечетной кратностью отражений, используемый в заявленных устройствах вариантов 1, 2;Fig.7 shows in the frontal plane the receiving case with a mirror unit with an odd multiplicity of reflections used in the claimed devices of options 1, 2;

на фиг.8 изображен во фронтальной плоскости составной четырехпроходный приемный корпус с тремя уголковыми отражателями, используемый в составе заявленного устройства варианта 1;on Fig depicted in the frontal plane of the composite four-pass receiving housing with three corner reflectors used in the composition of the claimed device of option 1;

на фиг.9 изображено относящееся к варианту 1 заявленное устройство, в котором в обоих плечах интерферометра используются одинаковые зеркальные блоки с нечетной кратностью отражений или одинаковые составные корпуса с нечетным числом уголковых отражателей, или цельные двухпроходные корпуса;figure 9 shows the claimed device related to option 1, in which the same mirror units with an odd multiplicity of reflections or the same composite cases with an odd number of corner reflectors, or solid two-pass cases, are used on both arms of the interferometer;

на фиг.10 изображено во фронтальной плоскости относящееся к варианту 2 заявленное устройство с цельным однопроходным приемным корпусом, собранным в измерительном плече волоконного интерферометра с поляризационной модуляцией;figure 10 shows in the frontal plane related to option 2 of the claimed device with a solid single-pass receiving housing, assembled in the measuring arm of a fiber interferometer with polarization modulation;

на фиг.11 изображено относящееся к варианту 2 заявленное устройство, в котором в обоих плечах интерферометра используются одинаковые зеркальные блоки с четной кратностью отражений или одинаковые составные корпуса с четным числом уголковых отражателей, или одинаковые цельные однопроходные корпуса;11 shows the inventive device related to option 2, in which the same mirror units with an even multiplicity of reflections or the same composite cases with an even number of corner reflectors, or the same solid single-pass cases, are used in both arms of the interferometer;

на фиг.12 изображено во фронтальной плоскости относящееся к варианту 2 заявленное устройство с цельным двухпроходным приемным корпусом, содержащим зеркальный элемент, собранным в измерительном плече волоконного интерферометра с поляризационной модуляцией;on Fig shows in the frontal plane related to option 2 of the claimed device with a solid two-pass receiving housing containing a mirror element, assembled in the measuring arm of a fiber interferometer with polarization modulation;

на фиг.13 изображено во фронтальной плоскости относящееся к варианту 2 заявленное устройство с составным четырехпроходным приемный корпусом с тремя уголковыми отражателями, собранным в измерительном плече волоконного интерферометра с поляризационной модуляцией;on Fig depicted in the frontal plane related to option 2 of the claimed device with a composite four-pass receiving housing with three corner reflectors, assembled in the measuring arm of a fiber interferometer with polarization modulation;

на фиг.14 изображено относящееся к варианту 2 заявленное устройство, в котором в обоих плечах интерферометра используются одинаковые зеркальные блоки с нечетной кратностью отражений или одинаковые составные корпуса с нечетным числом уголковых отражателей, или одинаковы цельные двухпроходные корпуса;on Fig depicts the claimed device related to option 2, in which the same mirror blocks with an odd multiplicity of reflections or the same composite cases with an odd number of corner reflectors are used in both arms of the interferometer, or the whole two-pass cases are identical;

на фиг.15 изображена схема измерения импульсного давления с помощью предлагаемого устройства.on Fig shows a diagram of the measurement of pulse pressure using the proposed device.

На чертежах не показаны вспомогательные устройства - коллиматоры для ввода излучения в волокно и компенсаторы для компенсации разности хода лучей в плечах интерферометров при отсутствии возмущений давления.The drawings do not show auxiliary devices — collimators for introducing radiation into the fiber and compensators for compensating the difference in the paths of rays in the arms of interferometers in the absence of pressure disturbances.

Вариант 1. Основу всех разновидностей устройства по данному варианту составляет двухплечевой волоконный интерферометр, собранный по схеме интерферометра Маха-Цендера, соединяющий источник света 1 и фотоприемник 2 (фиг.1, 5, 6, 9). Измерительное плечо интерферометра образовано волокнами 3 и 4. Их торцы закреплены в кольцеобразном приемном корпусе 5, пропускное окно 6 которого ограничивает зону измерений. Опорное плечо интерферометра образовано волокном 7. Разветвители 8 и 9 типа 1×2 соединяют оба плеча. В качестве светоделителя используется разветвитель 8, на который подается когерентное излучение от источника 1. На выходе интерферометра для соединения измерительного и опорного лучей используется разветвитель 9. Разновидности устройства различаются компоновкой - источник света 1 и фотоприемник 2 могут располагаться по разные стороны зоны измерений (фиг.1, 5) или по одну сторону (фиг.6, 9). Различаются они также конструкциями применяемых приемных корпусов, устанавливаемых в измерительное плечо и конструкциями корпусов, устанавливаемых в опорное плечо.Option 1. The basis of all varieties of the device according to this option is a two-arm fiber interferometer assembled according to the scheme of the Mach-Zehnder interferometer connecting the light source 1 and the photodetector 2 (Figs. 1, 5, 6, 9). The measuring arm of the interferometer is formed by fibers 3 and 4. Their ends are fixed in an annular receiving case 5, the passage window 6 of which limits the measurement zone. The supporting arm of the interferometer is formed by fiber 7. Splitters 8 and 9 of type 1 × 2 connect both arms. A splitter 8 is used as a beam splitter, to which coherent radiation is supplied from source 1. At the output of the interferometer, a splitter 9 is used to connect the measuring and reference beams. Variants of the device differ in layout — light source 1 and photodetector 2 can be located on opposite sides of the measurement zone (Fig. 1, 5) or on one side (Fig.6, 9). They also differ in the designs of the used receiving housings installed in the measuring arm and in the designs of the housings installed in the supporting arm.

В измерительное плечо интерферометра вставлен приемный корпус, который выполнен однопроходным (фиг.1). В окно 6 кольцеобразного приемного корпуса может быть вставлен зеркальный блок 10 (фиг.2) цилиндрической формы с открытыми торцами для пропускания регистрируемого возмущения давления. Его внутренность используется как пропускное окно. Зеркальный блок 10 выполнен с двумя отражающими элементами - плоскопараллельными зеркальными пластинками 11 и 12, установленными так, что их отражающие поверхности параллельны его оси (фиг.2). Они могут быть установлены так, что их отражающие поверхности равноудалены от оси блока, как это показано на фиг.2, хотя и не обязательно. Зеркальные пластинки выполнены из материала, обладающего максимальным коэффициентом отражения для используемого излучения. Зеркальный блок, показанный на фиг.2, установлен так, что обеспечивает четное число отражений регистрирующего излучения в нем. Он служит для регулирования числа проходов и длины геометрического пути измерительного луча без изменения размера зоны измерений и может быть установлен с возможностью поворота вокруг продольной оси. В этом случае источник света 1 и фотоприемник 2 располагаются по разные стороны от приемного корпуса. С целью регулирования размера зоны измерений и геометрической длины пути измерительного луча в ней приемный корпус выполнен составным без отражателей (см. фиг.3), состоящим из неподвижной части 5 и подвижной 13, которая может смещаться по направлению луча так, что изменяется размер пропускного окна 6 прямоугольной формы. В рабочем положении обе части фиксируются, как одно целое. Подводящее волокно 3 закреплено в стенке части 5, а отводящее 4 в подвижной части 13 (или наоборот) таким образом, что излучение, выходящее из торца волокна 3, после прохождения через окно 6 попадает в торец волокна 4. Для увеличения геометрической длины пути луча в нем составной корпус выполняют многопроходным. Такой корпус показан на фиг.4. Трехкратное прохождение измерительного луча в нем обеспечивается двумя уголковыми отражателями 14, один из которых установлен в стенке неподвижной части 5, а другой - в стенке подвижной части 13 так, что луч, выходящий из торца подводящего волокна 3, после всех отражений попадает в торец отводящего волокна 4. Все проходы луча совершаются по направлениям, параллельным боковым стенкам части 5, вдоль которых возможно перемещение части 13. От такой замены конфигурация устройства, показанная на фиг.1, не изменяется.A receiving case is inserted into the measuring arm of the interferometer, which is made single-pass (Fig. 1). In the window 6 of the annular receiving housing can be inserted mirror block 10 (figure 2) of a cylindrical shape with open ends to pass the recorded pressure disturbance. Its inside is used as a through window. The mirror unit 10 is made with two reflective elements - plane-parallel mirror plates 11 and 12, mounted so that their reflective surfaces are parallel to its axis (figure 2). They can be installed so that their reflective surfaces are equidistant from the axis of the block, as shown in figure 2, although not necessarily. Mirror plates are made of a material having a maximum reflection coefficient for the radiation used. The mirror block shown in figure 2, is installed so that provides an even number of reflections of the recording radiation in it. It serves to control the number of passes and the length of the geometric path of the measuring beam without changing the size of the measurement zone and can be installed with the possibility of rotation around the longitudinal axis. In this case, the light source 1 and the photodetector 2 are located on opposite sides of the receiving housing. In order to regulate the size of the measurement zone and the geometric path length of the measuring beam in it, the receiving case is made integral without reflectors (see Fig. 3), consisting of a fixed part 5 and a movable 13, which can be displaced in the direction of the beam so that the size of the passage window changes 6 rectangular shape. In the working position, both parts are fixed as a whole. The lead fiber 3 is fixed in the wall of part 5, and the lead 4 in the movable part 13 (or vice versa) so that the radiation emerging from the end of the fiber 3, after passing through the window 6, enters the end of the fiber 4. To increase the geometric path length of the beam in it composite body perform multi-pass. Such a housing is shown in FIG. Three passage of the measuring beam in it is provided by two corner reflectors 14, one of which is installed in the wall of the stationary part 5, and the other in the wall of the movable part 13 so that the beam emerging from the end of the supply fiber 3, after all reflections, enters the end of the outlet fiber 4. All beam passes are made in directions parallel to the side walls of part 5, along which part 13 can move. From such a replacement, the configuration of the device shown in FIG. 1 does not change.

В опорном плече интерферометра, образованном волокнами 15 и 16 (фиг.5) установлен вспомогательный корпус, идентичный по числу отражений и геометрической длине луча приемному в измерительном плече. Этот второй корпус содержит полость 17, такого же размера, что и пропускное окно 6 приемного корпуса. При этом полость 17 закрыта с торцов так, чтобы исключить влияние поступающих возмущений давления на часть среды, заключенную в ней. Полость 17 на фиг.5 показана пунктиром. В ней среда находится в тех же условиях что и внешняя среда - при той же температуре, влажности и том же значении равновесного давления. В окно 6 и полость 17 могут быть вставлены одинаковые зеркальные блоки, подобные показанному на фиг.2, так, что длины геометрических путей лучей в них одинаковы. В составе данного устройства применяют также составные корпуса с нечетным числом проходов лучей в них, подобные показанным на фиг.3, 4. Они устанавливаются так, что длины геометрических путей лучей в них одинаковы. Таким путем достигается лучшее исходное фазовое равновесие обоих плеч интерферометра. Оба корпуса устройства могут быть выполнены, как одно целое, как это показано на фиг.5. Но они могут быть пространственно разделены. При этом корпус опорного плеча может быть сориентирован ребром навстречу возмущениям для уменьшения влияния их на оптические свойства среды внутри его.In the supporting arm of the interferometer formed by the fibers 15 and 16 (FIG. 5), an auxiliary housing is installed, identical in number of reflections and the geometric length of the beam to the receiving in the measuring arm. This second housing contains a cavity 17, the same size as the passage window 6 of the receiving housing. In this case, the cavity 17 is closed from the ends so as to exclude the influence of the incoming pressure disturbances on the part of the medium enclosed in it. The cavity 17 in FIG. 5 is indicated by a dotted line. In it, the medium is in the same conditions as the external environment - at the same temperature, humidity and the same value of equilibrium pressure. In the window 6 and the cavity 17 can be inserted the same mirror blocks, similar to that shown in figure 2, so that the lengths of the geometric paths of the rays in them are the same. As part of this device also used composite body with an odd number of passes of rays in them, similar to those shown in figure 3, 4. They are set so that the lengths of the geometric paths of the rays in them are the same. In this way, the best initial phase equilibrium of both arms of the interferometer is achieved. Both cases of the device can be made as a whole, as shown in Fig.5. But they can be spatially separated. In this case, the body of the supporting arm can be oriented by a rib towards perturbations in order to reduce their influence on the optical properties of the medium inside it.

В измерительном плече интерферометра устройства установлен приемный кольцеобразный корпус 5 с пропускным окном 6 радиуса R и отражательным элементом 18 (фиг.6). Торцы подводящего волокна 3 и отводящего 4 в этом случае закрепляют с одной стороны корпуса 5 так, что луч, выходящий из торца волокна 3 после отражения от элемента 18 попадает в торец отводящего волокна 4. В этом случае источник излучения 1 и фоторегистратор располагаются по одну сторону от приемного корпуса. Такая конфигурация позволяет создать более компактное устройство.In the measuring arm of the device’s interferometer, a receiving ring-shaped body 5 is installed with a passage window 6 of radius R and a reflective element 18 (Fig.6). The ends of the inlet fiber 3 and the outlet 4 in this case are fixed on one side of the housing 5 so that the beam exiting from the end of the fiber 3 after reflection from the element 18 enters the end of the outlet fiber 4. In this case, the radiation source 1 and the photographic recorder are located on one side from the receiving building. This configuration allows you to create a more compact device.

В окно 6 корпуса 5 вместо одного отражательного элемента вставлен зеркальный блок 10, показанный на фиг.7. Он идентичен блоку, показанному на фиг.2, но установлен так, что обеспечивает нечетное число отражений измерительного луча в нем. При этом общая конфигурация устройства, показанная на фиг.5, не изменится. В корпусе 5 с одной стороны пропускного окна 6 закреплены торцы подводящего 3 и отводящего 4 волокон измерительного плеча. С целью регулирования в процессе эксплуатации кратности отражений и геометрической длины пути луча в блоке его устанавливают с возможностью поворота в корпусе 5 вокруг продольной оси. В составе устройства данной конфигурации с целью регулирования размера зоны измерений и геометрической длины пути измерительного луча используют составной корпус, выполненный многопроходным с четным числом проходов измерительного луча в нем. Такой четырехпроходной корпус с прямоугольным пропускным окном 6, состоящий из неподвижной части 5 и подвижной 13, показан на фиг.8. Четырехкратное прохождение измерительного луча обеспечивают три уголковых отражателя 14, один из которых установлен в стенке неподвижной части 5, а два других в стенке подвижной части 13 так, что измерительный луч, выходящий из торца подводящего волокна 3 после всех отражений попадает в торец отводящего волокна 4. Волокна 3 и 4 закреплены в стенке неподвижной части корпуса 5. Все проходы луча совершаются по направлениям, параллельным боковым стенкам части 5, вдоль которых возможно перемещение части 13. В рабочем положении части 13 и 5 фиксируются, как одно целое.In the window 6 of the housing 5, instead of one reflective element, a mirror unit 10 is shown, shown in Fig.7. It is identical to the block shown in FIG. 2, but is mounted so as to provide an odd number of reflections of the measuring beam in it. In this case, the general configuration of the device shown in FIG. 5 will not change. In the housing 5, on one side of the passage window 6, the ends of the inlet 3 and the outlet 4 fibers of the measuring arm are fixed. For the purpose of regulating during operation the multiplicity of reflections and the geometric path length of the beam in the block it is installed with the possibility of rotation in the housing 5 around the longitudinal axis. As part of a device of this configuration, in order to control the size of the measurement zone and the geometric path length of the measuring beam, a composite case is used that is multi-pass with an even number of passes of the measuring beam in it. Such a four-pass housing with a rectangular passage window 6, consisting of a fixed part 5 and a movable 13, is shown in Fig. 8. Four passage of the measuring beam is provided by three corner reflectors 14, one of which is installed in the wall of the stationary part 5, and the other two in the wall of the movable part 13 so that the measuring beam emerging from the end of the supply fiber 3 after all reflections enters the end of the discharge fiber 4. Fibers 3 and 4 are fixed in the wall of the fixed part of the housing 5. All beam passes are made in directions parallel to the side walls of part 5, along which the movement of part 13 is possible. In the working position, parts 13 and 5 are fixed, as one.

Наряду с приемным корпусом в измерительном плече в опорном плече интерферометра установлен идентичный ему по длине геометрического пути луча вспомогательный корпус (фиг.9). Этот второй корпус содержит полость 17, такого же размера, что и пропускное окно 6. При этом полость 17 закрыта с торцов так, чтобы исключить влияние поступающих возмущений давления на часть среды, заключенную в нем. Полость 17 на фиг.11 показана пунктиром. В ней среда находится в тех же условиях что и внешняя среда - при той же температуре, влажности и том же значении равновесного давления. В окно 6 и полость 17 могут быть вставлены одинаковые зеркальные элементы, как на фиг.6, а также зеркальные блоки с нечетным числом отражений, подобные показанному на фиг.7. В качестве корпусов могут быть применены составные корпуса с четным числом проходов лучей в них, подобные показанному на фиг.8. И зеркальные блоки, и составные корпуса должны быть установлены так, чтобы длины геометрических путей лучей в них в обоих плечах интерферометра были одинаковы. Применением вспомогательного корпуса достигается лучшее исходное фазовое равновесие обоих плеч интерферометра. Оба корпуса на фиг.9 изображены, как одно целое, хотя они могут быть разделены и пространственно разнесены. Корпус опорного плеча может быть сориентирован ребром навстречу возмущениям для уменьшения влияния их на оптические свойства среды внутри его. При таких заменах общая конфигурация устройства, показанная на фиг.9, остается без изменений.Along with the receiving case in the measuring arm in the supporting arm of the interferometer is installed an auxiliary housing identical to it along the length of the geometric path of the beam (Fig. 9). This second case contains a cavity 17, the same size as the passage window 6. Moreover, the cavity 17 is closed from the ends so as to exclude the influence of incoming pressure disturbances on the part of the medium enclosed in it. The cavity 17 in FIG. 11 is shown in dotted lines. In it, the medium is in the same conditions as the external environment - at the same temperature, humidity and the same value of equilibrium pressure. The same mirror elements can be inserted into the window 6 and cavity 17, as in FIG. 6, as well as mirror blocks with an odd number of reflections, similar to that shown in FIG. 7. As the housings can be applied composite housing with an even number of passes of rays in them, similar to that shown in Fig.8. Both mirror blocks and composite cases must be installed so that the lengths of the geometric paths of the rays in them at both arms of the interferometer are the same. By using an auxiliary housing, the best initial phase equilibrium of both arms of the interferometer is achieved. Both cases in figure 9 are shown as a single unit, although they can be separated and spatially separated. The body of the support arm can be oriented by a rib towards perturbations to reduce their influence on the optical properties of the medium inside it. With such replacements, the overall configuration of the device shown in FIG. 9 remains unchanged.

Вариант 2. Устройство по данному варианту включает двухплечевой волоконный поляризационный интерферометр, собранный по схеме интерферометра Маха-Цендера, соединяющий источник излучения 1 и фотоприемник 2 (фиг.10-13). Для получения циркулярно поляризованного излучения на выходе источника излучения 1 установлены поляризатор 19 и четвертьволновая пластинка 20 (фиг.10-13). Для разделения потока излучения между измерительным и опорным плечами используют светоделитель, в качестве которого применяют либо разветвитель 8 типа 1×2 (фиг.12), либо полупрозрачное зеркало 21 (фиг.10, 11, 13, 14). При каждом отражении направления циркулярной поляризации сменяется на противоположное. Устройство выполнено так, чтобы разница числа отражений измерительного и опорного луче была нечетной, благодаря чему измерительный и опорный лучи на выходе из интерферометра поляризованы по кругу в противоположных направлениях. Плечи интерферометра соединены разветвителем 9 типа 1×2, в котором соединяются измерительный и опорный лучи. Поскольку эти лучи поляризованы по кругу в противоположных направлениях, суммарное излучение поляризовано линейно. На выходе интерферометра установлен анализатор 22, определяющий поворот плоскости поляризации суммарного луча. Разновидности устройства данного варианта различаются конструкцией приемных корпусов, устанавливаемых в разрыве измерительного плеча интерферометра и общей конфигурацией - источник света 1 и фотоприемник 2 могут располагаться по разные стороны от приемного корпуса (фиг.10), либо по одну сторону (фиг.12, 13).Option 2. The device according to this option includes a two-arm fiber polarizing interferometer, assembled according to the scheme of the Mach-Zehnder interferometer, connecting the radiation source 1 and the photodetector 2 (Fig.10-13). To obtain circularly polarized radiation at the output of the radiation source 1, a polarizer 19 and a quarter-wave plate 20 are installed (FIGS. 10-13). To split the radiation flux between the measuring and supporting arms, a beam splitter is used, either a 1 × 2 type splitter 8 (Fig. 12) or a translucent mirror 21 (Fig. 10, 11, 13, 14) is used. With each reflection, the directions of circular polarization are reversed. The device is designed so that the difference in the number of reflections of the measuring and reference beams is odd, so that the measuring and reference beams at the output of the interferometer are circularly polarized in opposite directions. The arms of the interferometer are connected by a splitter 9 type 1 × 2, in which the measuring and reference beams are connected. Since these rays are circularly polarized in opposite directions, the total radiation is linearly polarized. An analyzer 22 is installed at the output of the interferometer, which determines the rotation of the plane of polarization of the total beam. Variants of the device of this option differ in the design of the receiving cases installed in the gap of the measuring arm of the interferometer and the general configuration - the light source 1 and the photodetector 2 can be located on opposite sides of the receiving case (figure 10), or on one side (figure 12, 13) .

Устройство, показанное на фиг.10 характеризуется тем, что в измерительное плечо интерферометра установлен однопроходной приемный корпус 5 с пропускным окном 6. Источник света 1 и фотоприемник 2 расположены по обе стороны от него. В этот корпус с целью увеличения геометрической длины пути измерительного луча в зоне измерений вставляют зеркальный блок с четным числом отражений (см. фиг.2) и, соответственно, нечетным числом проходов измерительного луча в нем. Для регулирования кратности отражений и геометрической длины пути луча в этом блоке в процессе эксплуатации его устанавливают с возможностью поворота вокруг продольной оси. Приемный корпус может также быть выполнен составным без отражателей (см. фиг.3) либо с четным числом уголковых отражателей 14 в нем и нечетным числом проходов измерительного луча в нем аналогично корпусу, показанному на фиг.4. От такой замены конфигурация устройства не изменяется.The device shown in Fig. 10 is characterized in that a single-pass receiving case 5 with a through-hole 6 is installed in the measuring arm of the interferometer. The light source 1 and the photodetector 2 are located on either side of it. In this case, in order to increase the geometric path length of the measuring beam in the measurement zone, a mirror block is inserted with an even number of reflections (see Fig. 2) and, accordingly, an odd number of passes of the measuring beam in it. To control the frequency of reflections and the geometric path length of the beam in this unit during operation, it is installed with the possibility of rotation around the longitudinal axis. The receiving housing can also be made integral without reflectors (see Fig. 3) or with an even number of corner reflectors 14 in it and an odd number of passes of the measuring beam in it similarly to the housing shown in Fig. 4. From such a replacement, the device configuration does not change.

На фиг.11 показано устройство, в опорном плече интерферометра которого установлен вспомогательный корпус, идентичный по кратности отражений и по геометрической длине луча в нем приемному корпусу, установленному в измерительном плече. Этот второй корпус содержит полость 17, такого же размера, что и пропускное окно 6 приемного корпуса. При этом полость 17 закрыта с торцов так, чтобы исключить влияние поступающих возмущений давления на часть среды, заключенную в нем. Полость 17 на фиг.11 показана пунктиром. В ней среда находится в тех же равновесных условиях, что и внешняя среда - при той же температуре, влажности и при том же значении равновесного давления. Применением этого корпуса достигается лучшее исходное фазовое равновесие обоих плеч интерферометра. Волокно 15 служит для подвода излучения к нему. Прошедшее через него излучение попадает в торец отводящего волокна 16. Корпус опорного плеча может быть сориентирован ребром навстречу возмущениям для уменьшения влияния их на оптические свойства среды внутри его. При данной конфигурации устройства в два плеча могут быть вставлены одинаковые однопроходные корпуса (см. фиг.1). В них могут быть вставлены одинаковые зеркальные блоки с четным числом отражений (см. фиг.2). Могут также быть применены одинаковые составные корпуса с нечетным числом проходов луча, подобные показанным на фиг.3, 4. При этом пропускное окно 6 и полость 17 имеют форму в виде прямоугольника. И зеркальные блоки, и составные корпуса устанавливаются так, что длины геометрических путей и кратности отражений лучей в них в обоих плечах интерферометра были одинаковы. Поэтому здесь в качестве светоделителя используют полупрозрачное зеркало 21. Этим обеспечивается различие на единицу кратностей отражений измерительного и опорного лучей, благодаря чему они на выходе из интерферометра циркулярно поляризованы в противоположных направлениях, и суммарное излучение линейно поляризовано.Figure 11 shows a device in which the supporting arm of the interferometer has an auxiliary casing identical in frequency of reflections and in the geometric length of the beam in it to the receiving casing installed in the measuring arm. This second housing contains a cavity 17, the same size as the passage window 6 of the receiving housing. In this case, the cavity 17 is closed from the ends so as to exclude the influence of the incoming pressure disturbances on the part of the medium enclosed in it. The cavity 17 in FIG. 11 is shown in dotted lines. In it, the medium is in the same equilibrium conditions as the external environment - at the same temperature, humidity and at the same value of equilibrium pressure. Using this housing, the best initial phase equilibrium of both arms of the interferometer is achieved. Fiber 15 serves to supply radiation to it. The radiation passing through it falls into the end face of the discharge fiber 16. The body of the support arm can be oriented by a rib towards disturbances to reduce their influence on the optical properties of the medium inside it. With this configuration of the device, the same single-pass housings can be inserted into two shoulders (see Fig. 1). They can be inserted the same mirror blocks with an even number of reflections (see figure 2). The same composite housings with an odd number of beam passages, similar to those shown in FIGS. 3, 4, can also be used. In this case, the passage window 6 and the cavity 17 are in the form of a rectangle. Both the mirror blocks and the composite cases are installed so that the lengths of the geometric paths and the multiples of the reflections of the rays in them at both arms of the interferometer were the same. Therefore, a translucent mirror 21 is used here as a beam splitter. This ensures a difference per unit of reflections of the measuring and reference rays, due to which they are circularly polarized in opposite directions at the exit from the interferometer, and the total radiation is linearly polarized.

В измерительное плечо для удвоения геометрической длины пути луча устанавливают цельный кольцеобразный приемный двухпроходной корпус 5 с пропускным окном 6 и отражательным элементом 18 (фиг.12). В корпусе закреплены торцы подводящего волокна 3 и отводящего 4 на одной стороне пропускного окна так, что измерительный луч, выходящий из торца волокна 3, отражается от элемента 18 и попадает в торец волокна 4. В корпус 5 с целью увеличения геометрической длины пути луча в зоне измерений без увеличения ее размера вставляют зеркальный блок так, что он обеспечивает нечетное число отражений измерительного луча в нем (см. фиг.7), если это требуется, то и с возможностью поворота вокруг продольной оси. Это позволяет регулировать в процессе эксплуатации геометрическую длину пути измерительного луча в измерительной зоне без изменения ее размеров, а также кратность его отражений в блоке. Волокно 7 является опорным плечом интерферометра. В качестве светоделителя используется разветвитель 8. Опорный луч не претерпевает отражений. Измерительный луч претерпевает либо одно отражение от элемента 18 (фиг.12), либо нечетное число отражений, если используется зеркальный блок, показанный на фиг.7. Благодаря этому измерительный и опорный лучи на выходе из интерферометра циркулярно-поляризованы в противоположных направлениях. Разветвитель 9 соединяет измерительный луч с опорным, и суммарное излучение поляризовано линейно.In the measuring arm to double the geometrical length of the beam path, an integral annular receiving two-pass housing 5 is installed with a passage window 6 and a reflective element 18 (Fig. 12). The ends of the inlet fiber 3 and the outlet 4 on one side of the passage window are fixed in such a way that the measuring beam emerging from the end of the fiber 3 is reflected from the element 18 and enters the end face of the fiber 4. In the case 5 in order to increase the geometric path length of the beam in the zone without increasing its size, insert the mirror block so that it provides an odd number of reflections of the measuring beam in it (see Fig. 7), if necessary, and with the possibility of rotation around the longitudinal axis. This allows you to adjust during operation the geometric path length of the measuring beam in the measuring zone without changing its size, as well as the multiplicity of its reflections in the block. Fiber 7 is the supporting arm of the interferometer. A splitter is used as a beam splitter 8. The reference beam does not undergo reflections. The measuring beam undergoes either one reflection from element 18 (FIG. 12) or an odd number of reflections if the mirror unit shown in FIG. 7 is used. Due to this, the measuring and reference beams at the exit from the interferometer are circularly polarized in opposite directions. A splitter 9 connects the measuring beam to the reference beam, and the total radiation is linearly polarized.

В измерительное плечо интерферометра с целью регулирования размера зоны измерений и геометрической длины пути луча в ней устанавливают четнопроходной составной корпус. Пример такого устройства с четырехпроходным составным приемным корпусом 5 с подвижной частью 13 и пропускным окном 6 показан на фиг.13. Три уголковых отражателя 14, один из которых установлен в стенке корпуса 15, а два других в стенке части 13, обеспечивают четырехкратное прохождение и шестикратное отражение измерительного луча в нем. Поэтому в качестве светоделителя здесь используют полупрозрачное зеркало 21, в котором однократное отражение претерпевает опорный луч. В результате этот луч поляризован по кругу в направлении, противоположном направлению поляризации измерительного луча. Опорный луч подается через волокно 7 опорного плеча на разветвитель 9, где соединяется с измерительным лучом. Далее суммарное плоскополяризованное излучение подается на анализатор 22 и на фоторегистратор 2.In order to control the size of the measurement zone and the geometric path length of the beam, an even-pass composite case is installed in the measuring arm of the interferometer. An example of such a device with a four-pass composite receiving case 5 with a movable part 13 and a passage window 6 is shown in Fig. 13. Three corner reflectors 14, one of which is installed in the wall of the housing 15, and the other two in the wall of part 13, provide four-fold passage and six-fold reflection of the measuring beam in it. Therefore, a translucent mirror 21 is used here as a beam splitter, in which the reference beam undergoes a single reflection. As a result, this beam is circularly polarized in the opposite direction to the polarization direction of the measuring beam. The reference beam is fed through the fiber 7 of the supporting arm to the splitter 9, where it is connected to the measuring beam. Next, the total plane-polarized radiation is fed to the analyzer 22 and to the photographic recorder 2.

Разновидность устройства, показанная на фиг.14, отличается тем, что в опорном плече интерферометра установлен вспомогательный корпус, идентичный по числу отражений и геометрической длине луча в нем приемному корпусу в измерительном плече. Этот второй корпус содержит полость 17 (изображена штриховой линией), такого же размера, что и пропускное окно 6. При этом полость 17 закрыта с торцов так, чтобы исключить влияние поступающих возмущений давления на часть среды, заключенную в нем. Полость 17 на фиг.13 показана пунктиром. В ней среда находится в тех же условиях что и внешняя среда - при той же температуре, влажности и том же значении равновесного давления. Применением этого корпуса достигается лучшее исходное фазовое равновесие обоих плеч интерферометра. К нему излучение подводится посредством подводящего волокна 15. Прошедшее через него излучение попадает в торец отводящего волокна 16, соединенного с разветвителем 9. Корпус опорного плеча может быть сориентирован ребром навстречу возмущениям для уменьшения влияния их на оптические свойства среды внутри его. При данной конфигурации устройства в два плеча могут быть вставлены корпуса с одним отражательным элементом (см. фиг.12) или корпус с зеркальным блоком с нечетным числом отражений (см. фиг.7), или составные корпуса с четным числом проходов луча, подобные показанному на фиг.8. И зеркальные блоки, и составные корпуса устанавливаются так, что длины геометрических путей и кратности отражений лучей в них в двух плечах интерферометра были одинаковы. В качестве светоделителя здесь используется полупрозрачное зеркало 21. Этим обеспечивается различие на единицу кратностей отражений измерительного и опорного лучей, благодаря чему они на выходе из интерферометра циркулярно поляризованы в противоположных направлениях. А суммарное излучение характеризуется линейной поляризацией.A variation of the device shown in Fig. 14 is characterized in that an auxiliary housing is installed in the supporting arm of the interferometer, identical in number of reflections and the geometric length of the beam in it to the receiving housing in the measuring arm. This second case contains a cavity 17 (shown by a dashed line) of the same size as the passage window 6. Moreover, the cavity 17 is closed from the ends so as to exclude the influence of incoming pressure disturbances on the part of the medium enclosed in it. The cavity 17 in FIG. 13 is indicated by a dotted line. In it, the medium is in the same conditions as the external environment - at the same temperature, humidity and the same value of equilibrium pressure. Using this housing, the best initial phase equilibrium of both arms of the interferometer is achieved. The radiation is supplied to it by means of a supply fiber 15. The radiation transmitted through it enters the end face of a discharge fiber 16 connected to a splitter 9. The body of the support arm can be oriented by a rib towards disturbances to reduce their influence on the optical properties of the medium inside it. With this device configuration, housings with one reflective element (see Fig. 12) or a housing with a mirror unit with an odd number of reflections (see Fig. 7), or composite housings with an even number of beam passes, like the one shown, can be inserted into two shoulders on Fig. Both the mirror blocks and the composite cases are installed so that the lengths of the geometric paths and the multiples of the reflections of the rays in them at the two arms of the interferometer are the same. Here, a translucent mirror 21 is used as a beam splitter. This ensures a difference per unit of reflections of the measuring and reference rays, due to which they are circularly polarized in opposite directions at the exit from the interferometer. And the total radiation is characterized by linear polarization.

Измерение импульсного давления с помощью предлагаемого устройства поясняется фиг.15. Здесь 5 - приемный корпус в поперечном разрезе с пропускным окном 6 диаметром 2R. Размер зоны измерений l=2R. 3 - подводящее волокно, 4 - отводящее волокно. Тремя параллельными стрелками показано направления распространения измеряемых возмущений давления. Дуга 23 обозначает фронт поступающего возмущения давления от точечного источника, от которого приемный корпус расположен на расстоянии R_f. Соответственно, радиус фронта возмущения также равен R_f. Расходящиеся пунктирные линии обозначают расходящийся пучок света 24, выходящий из торца подводящего волновода 3. Угол Ψ характеризует расходимость пучка. Сплошные параллельные линии 25 и 26, расстояние между которьми равно d (диаметр сердцевины волокна 4) ограничивают часть пучка, поступающую в фотоприемник. Величина d характеризует разрешающую способность устройства во времени. Шаг по времени, с которым устройство прописывает временной профиль возмущения, ограничен соотношением:The measurement of pulse pressure using the proposed device is illustrated in Fig.15. Here 5 is a receiving case in cross section with a through window 6 with a diameter of 2R. The size of the measurement zone is l = 2R. 3 - lead fiber, 4 - lead fiber. Three parallel arrows show the directions of propagation of the measured pressure disturbances. Arc 23 denotes the front of the incoming pressure disturbance from a point source, from which the receiving housing is located at a distance R _f . Accordingly, the radius of the perturbation front is also equal to R _f . Divergent dashed lines indicate a diverging beam of light 24 emerging from the end of the input waveguide 3. Angle Ψ characterizes the beam divergence. Solid parallel lines 25 and 26, the distance between which is equal to d (fiber core diameter 4), limit the part of the beam entering the photodetector. The value of d characterizes the resolution of the device in time. The time step with which the device registers the time profile of the disturbance is limited by the ratio:

$Δ t \geq \frac{d}{C}$

,

Δ t \geq \frac{d}{C}

,

где С - скорость звука в среде.where C is the speed of sound in the medium.

Если, например, средой является воздух при нормальных условиях и С=360 м/с, а d=0,2 мм, то Δt≥5,5·10^-7 с.If, for example, the medium is air under normal conditions and C = 360 m / s, and d = 0.2 mm, then Δt≥5.5 · 10 ^-7 s.

В рабочее положение приемный корпус 5 устройства устанавливают таким образом, чтобы точки фронта одновременно достигали периметра пропускного окна радиуса R. Если же фронт плоский или R_f>>R, то приемный корпус устанавливают так, что плоскость его пропускного окна параллельна плоскости фронта. Если же источник возмущения вытянут вдоль некоторой оси и форма фронта возмущений близка к цилиндрической и не применяется зеркальный блок, то форма пропускного окна может быть в виде прямоугольной щели с осью, совпадающей с осью проходящего через окно пучка света. В этом случае в рабочее положение приемный корпус устанавливают так, что оптическая ось окна параллельна оси источника возмущений. При наличии зеркального блока в рабочее положение приемный корпус устанавливают, как в предыдущих случаях. Если фронт поступающего возмущения плоский, то удаление r₀ приемного корпуса от источника возмущения не влияет на точность измерений амплитуды, и его можно устанавливать на любом удалении, до которого доходят регистрируемые возмущения. Если же фронт возмущения характеризуется конечным радиусом кривизны, то погрешность устройства зависит от его удаления от источника возмущения. С увеличением удаления фронт возмущения приближается к плоскому, и погрешность измерений амплитуды возмущения уменьшается., По мере приближения к источнику возмущения эта погрешность растет. Граничный случай наступает, когда фронт одновременно достигает трех точек - краев линии 25 и середины линии 26, расстояние между которыми равно d. Этот случай показан на фиг.15. Граничное значение R₀удаления r₀ определяется соотношением:In the operating position, the receiving case 5 of the device is installed so that the front points simultaneously reach the perimeter of the passage window of radius R. If the front is flat or R _f >> R, then the reception case is set so that the plane of its passage window is parallel to the plane of the front. If the source of the perturbation is elongated along a certain axis and the shape of the perturbation front is close to cylindrical and the mirror block is not used, then the shape of the passage window can be in the form of a rectangular slit with an axis coinciding with the axis of the light beam passing through the window. In this case, the receiving case is installed in the operating position so that the optical axis of the window is parallel to the axis of the disturbance source. In the presence of a mirror unit in the working position, the receiving housing is installed, as in previous cases. If the front of the incoming disturbance is flat, then the removal of r _{0 of the} receiving case from the disturbance source does not affect the accuracy of the amplitude measurements, and it can be installed at any distance to which the recorded disturbances reach. If the perturbation front is characterized by a finite radius of curvature, then the error of the device depends on its distance from the source of the perturbation. As the distance increases, the perturbation front approaches flat, and the measurement error of the perturbation amplitude decreases. As we approach the source of the perturbation, this error increases. The boundary case occurs when the front simultaneously reaches three points - the edges of line 25 and the middle of line 26, the distance between which is d. This case is shown in FIG. The boundary value of R ₀ removal r ₀ is determined by the ratio:

$R_{0} = \frac{R^{2} - d^{2}}{d} . (1)$

R_{0} = \frac{R^{2} - d^{2}}{d} . (one)

В случае составного приемного корпуса с прямоугольным пропускным окном (см. фиг.3, 4, 8) в качестве R можно использовать радиус окружности, вписанной в пропускное окно. При r₀<R₀ результаты измерения амплитуды возмущения сильно искажены, хотя результаты по спектральному составу могут быть правильными. Поэтому приемный корпус устройства следует устанавливать так, чтобы его расстояние от локального источника возмущения давления удовлетворяло условию r₀≥R₀. Если, например, размер пропускного окна или расстояние между торцом подводящего волновода 3 и торцом отводящего волновода 4 равно 2R=5 мм, а d=0,2 мм, то из (1) получается граничное значение удаления R₀=124,8 мм. Применение одного отражательного элемента (фиг.6, 12) обеспечивает увеличение в два раза геометрического пути луча в нем. Это позволяет размер пропускного окна и соответственно поперечный размер приемного корпуса датчика уменьшить вдвое при тех же возможностях регистрации. Тогда при 2R=2,5 мм и d=0,2 мм граничное значение удаления согласно (1) R₀=31,05 мм. Размер пропускного окна без зеркального блока выбирают из соотношения:In the case of a composite receiving case with a rectangular passage window (see Figs. 3, 4, 8), the radius of a circle inscribed in the passage window can be used as R. When r ₀ <R _{0, the} results of the measurement of the perturbation amplitude are strongly distorted, although the results on the spectral composition can be correct. Therefore, the receiving case of the device should be installed so that its distance from the local source of pressure disturbance satisfies the condition r ₀ ≥R ₀ . If, for example, the size of the passage window or the distance between the end of the inlet waveguide 3 and the end of the outgoing waveguide 4 is 2R = 5 mm and d = 0.2 mm, then from (1) we obtain the boundary value of the removal R ₀ = 124.8 mm. The use of one reflective element (6, 12) provides a double increase in the geometric path of the beam in it. This allows the size of the passage window and, accordingly, the transverse size of the receiver housing of the sensor to be halved with the same registration capabilities. Then, at 2R = 2.5 mm and d = 0.2 mm, the boundary removal value according to (1) is R ₀ = 31.05 mm. The size of the access window without a mirror block is selected from the ratio:

$R \leq 0,5 \cdot L_{e}, (2)$

R \leq 0.5 \cdot L_{e}, (2)

где L_e- толщина слоя исследуемой среды, в котором интенсивность плоской волны рабочего излучения за счет изменения давления ослабляется в е=2,73 раза.where L _e is the thickness of the layer of the medium under study, in which the intensity of the plane wave of the working radiation is weakened by e = 2.73 times due to pressure changes.

При наличии зеркального блока, если кратность отражений измерительного излучения в нем равна J, вместо (2) используют соотношение:In the presence of a mirror unit, if the multiplicity of reflections of the measuring radiation in it is equal to J, instead of (2) use the ratio:

$R \leq \frac{0.5 \cdot L_{e}}{J + 1} . (3)$

R \leq \frac{0.5 \cdot L_{e}}{J + one} . (3)

Соотношение (3) показывает, что применение зеркального блока позволяет размер приемного корпуса устройства уменьшить в несколько раз и тем самым повысить его жесткость и помехоустойчивость.Relation (3) shows that the use of a mirror unit allows the size of the receiving case of the device to be reduced several times and thereby increase its rigidity and noise immunity.

Если приемный корпус устройства располагается на вибрирующем основании, то эти вибрации не приводят ни к изменению оптических свойств среды, ни к заметным изменениям геометрической и оптической длины пути рабочего излучения в его пропускном окне. Поэтому они не оказывают влияния на условия регистрации возмущений давления. Сами регистрируемые возмущения давления поступают в направлении продольной оси корпуса, и, проходя сквозь пропускное окно, могут вызвать смещения корпуса вдоль его оси. Но и эти смещения и колебания корпуса также не влияют на условия регистрации, обусловленной изменениями оптических свойств среды, вызванными вариациями давления в ней. Тем самым обеспечивается нечувствительность устройства к механическим помехам и вибрациям.If the receiving case of the device is located on a vibrating base, then these vibrations do not lead either to a change in the optical properties of the medium or to noticeable changes in the geometric and optical path lengths of the working radiation in its transmission window. Therefore, they do not affect the conditions for recording pressure disturbances. The recorded pressure disturbances themselves arrive in the direction of the longitudinal axis of the housing, and, passing through the passageway, can cause displacement of the housing along its axis. But these displacements and vibrations of the case also do not affect the recording conditions due to changes in the optical properties of the medium caused by variations in pressure in it. This ensures the insensitivity of the device to mechanical noise and vibration.

Если источник возмущений давления локальный, то четкость, с которой посредством предлагаемого устройства прописывается временной профиль сигнала, зависит от ориентации приемного корпуса устройства. Эта четкость максимальна, если продольная ось пропускного окна 6 точно ориентирована на источник возмущений. Т.е. предлагаемое устройство позволяет пеленговать локальный источник возмущений давления или звука.If the source of pressure disturbances is local, then the clarity with which the time profile of the signal is registered by the proposed device depends on the orientation of the receiving case of the device. This clarity is maximized if the longitudinal axis of the passage window 6 is precisely oriented to the source of disturbances. Those. the proposed device allows you to locate a local source of pressure or sound disturbances.

Практически все известные оптически прозрачные среды характеризуются зависимостью показателя преломления от давления. Поэтому предлагаемый способ позволяет проводить регистрацию возмущений давления в средах различного агрегатного состояния - в газах, жидкостях и твердых телах. При этом источник света подбирают таким образом, чтобы исследуемая среда была прозрачной для его излучения. Для регистрации возмущений в газах или жидкостях приемный корпус закрепляют в погруженном состоянии. При исследовании твердого материала его оформляют в виде стержня с поперечным сечением, соответствующим форме пропускного окна, куда его вставляют в направлении продольной оси. Стержень должен быть достаточно длинным, чтобы время прихода отраженного сигнала в нем превышало длительность регистрируемого возмущения.Almost all known optically transparent media are characterized by the dependence of the refractive index on pressure. Therefore, the proposed method allows the registration of pressure disturbances in media of various state of aggregation - in gases, liquids and solids. In this case, the light source is selected so that the medium under investigation is transparent to its radiation. To register disturbances in gases or liquids, the receiving housing is fixed in a submerged state. In the study of solid material, it is formed in the form of a rod with a cross section corresponding to the shape of the passage window, where it is inserted in the direction of the longitudinal axis. The rod should be long enough so that the arrival time of the reflected signal in it exceeds the duration of the recorded disturbance.

В изотропных средах оптическая длина пути определяется известным соотношением:In isotropic media, the optical path length is determined by the known relation:

$D = n \cdot L, (4)$

D = n \cdot L, (four)

где n - показатель преломления, L - геометрическая длина пути луча в этой среде.where n is the refractive index, L is the geometric path length of the beam in this medium.

При пересечении волнами возмущения давления промежутка между торцами подводящего волокна 3 и отводящего 4 (фиг.15) между измерительным и опорным лучами интерферометра появляется разность фаз, которая описывается зависимостью:When the waves intersect the pressure disturbance of the gap between the ends of the supply fiber 3 and the discharge 4 (Fig. 15), a phase difference appears between the measuring and reference beams of the interferometer, which is described by the relationship:

$\pm Δ ϑ (P) = \pm \frac{2 π}{λ_{0}} δ D (P) + ϑ_{0}, (5)$

\pm Δ ϑ (P) = \pm \frac{2 π}{λ_{0}} δ D (P) + ϑ_{0}, (5)

где λ₀- длина волны излучения в вакууме, δD(P)=δn(P)·L - вариация длины оптического пути луча в измерительном плече интерферометра, ϑ₀ - исходная разность фаз между измерительным и опорным лучами, когда давления равно равновесному значению.where λ ₀ is the radiation wavelength in vacuum, δD (P) = δn (P) · L is the variation of the optical path length of the beam in the measuring arm of the interferometer, ϑ ₀ is the initial phase difference between the measuring and reference rays, when the pressure is equal to the equilibrium value.

Соотношение (5) лежит в основе работы двух вариантов предлагаемого устройства.The ratio (5) underlies the work of two variants of the proposed device.

В случае второго варианта устройства измерительный и опорный лучи интерферометра циркулярно-поляризованы в противоположных направлениях. В результате их сложения получается плоскополяризованный луч, поворот плоскости поляризации которого определяется разностью фаз (5) между суммируемыми лучами.In the case of the second variant of the device, the measuring and reference beams of the interferometer are circularly polarized in opposite directions. As a result of their addition, a plane-polarized beam is obtained, the rotation of the plane of polarization of which is determined by the phase difference (5) between the summed rays.

Устройство по варианту 1 работает следующим образом. Вариации давления в среде приводят к вариациям ее плотности и показателя преломления. Когда возмущение давления проходит сквозь зазор между торцами подводящего и отводящего волокон измерительного плеча интерферометра, это приводит к вариациям оптической длины пути измерительного луча в зазоре. Далее этот луч попадает в разветвитель 9, в котором интерферирует с опорным лучом, проходящим через волокно 7 опорного плеча интерферометра. Вызванные возмущениями давления вариации длины оптического пути измерительного луча приводят к вариациям сдвига интерференционных полос. Суммарное излучение попадает через отводящее волокно 4 в фоторегистратор 2, где регистрируются вызванные изменениями давления вариации сдвигов интерференционных полос.The device according to option 1 works as follows. Variations in the pressure in the medium lead to variations in its density and refractive index. When a pressure perturbation passes through the gap between the ends of the input and output fibers of the measuring arm of the interferometer, this leads to variations in the optical path length of the measuring beam in the gap. Next, this beam enters the splitter 9, in which it interferes with the reference beam passing through the fiber 7 of the supporting arm of the interferometer. Variations in the optical path length of the measuring beam caused by pressure disturbances lead to variations in the shift of the interference fringes. The total radiation enters through the output fiber 4 into the photorecorder 2, where the changes in the fringes of the fringes caused by pressure changes are recorded.

Применение зеркального блока позволяет без изменения размера зоны измерений увеличить геометрическую длину пути измерительного луча, регулировать ее, а также глубину модуляции и чувствительность устройства. Зеркальный блок содержит открытый с торцов цилиндрический блок с круговым основанием радиуса R. Высота его боковой стенки m<<R. Внутри его установлены две плоскопараллельные зеркальные пластинки 11 и 12 (фиг.2, 7), в плане основания блока представляющие собой две параллельные хорды одинаковой длины, расстояние между которыми равно Н. Далее рассмотрение пути луча в зеркальном блоке проводится в декартовой системе координат, начало которой лежит на оси блока. Ось Х направлена вправо, а ось Y направлена по вертикали (фиг.2, 7). Пусть блок повернут на угол φ против часовой стрелки. Входящий луч входит в блок параллельно оси X, как показано на фиг.2, 7 и падает под углом φ на зеркало 12. Затем он отражается от зеркала 12, отражается от зеркала 11 и выходит из блока параллельно входящему лучу (фиг.2). Либо он последний раз отражается от зеркала 12 и выходит из блока в ту же сторону, откуда приходит входящий луч (фиг.7). Число таких отражений в случае блока на фиг.2 четно, на фиг.7 нечетно, и зависит от угла поворота φ. Путем простых аналитических вычислений получено приведенное ниже соотношение для геометрической длины пути измерительного луча в зеркальном блоке:The use of a mirror unit allows, without changing the size of the measurement zone, to increase the geometric path length of the measuring beam, to adjust it, as well as the modulation depth and sensitivity of the device. The mirror block contains a cylindrical block open from the ends with a circular base of radius R. The height of its side wall is m << R. Inside it, two plane-parallel mirror plates 11 and 12 are installed (Figs. 2, 7), in the plan of the base of the block they are two parallel chords of the same length, the distance between them is N. Next, the path of the beam in the mirror block is examined in the Cartesian coordinate system, beginning which lies on the axis of the block. The X axis is directed to the right, and the Y axis is directed vertically (Fig.2, 7). Let the block be rotated at an angle φ counterclockwise. The incoming beam enters the block parallel to the X axis, as shown in FIGS. 2, 7 and falls at an angle φ on the mirror 12. Then it is reflected from the mirror 12, reflected from the mirror 11 and leaves the block parallel to the incoming beam (figure 2). Or, it is last reflected from mirror 12 and leaves the block in the same direction from which the incoming beam comes (Fig. 7). The number of such reflections in the case of the block in figure 2 is even, in figure 7 is odd, and depends on the angle of rotation φ. Using simple analytical calculations, the following relation is obtained for the geometric path length of the measuring beam in the mirror unit:

$L = \frac{J \cdot H}{\cos (ϕ)} - 2 Y_{p 1} t g (ϕ) + 2 \sqrt{R^{2} - Y_{p 1}^{2}} . (6)$

L = \frac{J \cdot H}{\cos (ϕ)} - 2 Y_{p one} t g (ϕ) + 2 \sqrt{R^{2} - Y_{p one}^{2}} . (6)

Здесь Y_p1 - прицельный параметр входного луча (расстояние от него до оси блока).Here Y _p1 is the impact parameter of the input beam (the distance from it to the axis of the block).

В процессе измерений пучок света от источника 1 в разветвителе 8 (см. фиг.1, 5, 6, 8, 9) разделяется между опорным и измерительным плечами интерферометра. Часть пучка, попавшая в опорное плечо, проходит через волоконный волновод 7 опорного плеча (см. фиг.1, 6), либо через подводящее волокно 15, через вспомогательный корпус опорного плеча, через отводящее волокно 16 (см. фиг.5, 9) на разветвитель 9. Часть пучка, попавшая в измерительное плечо, проходит через подводящее волокно 3, через пропускное окно 6, попадает в отводящее волокно 4 и на разветвитель 9, где соединяется с пучком опорного плеча. Если сквозь окно 6 проходит возмущение давления, то изменяется показатель преломления на величину ±δn(Р), обусловленную изменением давления относительно равновесного значения. Согласно (6) при этом изменяется оптическая длина пути измерительного луча в пропускном окне на величину δD(P)=±δn(P)·L. Тогда между измерительным и опорным лучами появляется разность фаз, которая определяется соотношением (7). При этом L=2R, если не применяется зеркальный блок, либо L=4R, если применяется блок с одним отражением (фиг.6), либо определяется равенством (8), если применяется зеркальный блок с многократными отражениями. Если применяется составной приемный корпус, то L=l, где l - ширина пропускного окна корпуса, если он - однопроходной (фиг.3), либо L=k·l, где k - число проходов луча в нем. В этом случае разность фаз между опорным и измерительным лучами равна:During the measurement, the light beam from the source 1 in the splitter 8 (see Fig. 1, 5, 6, 8, 9) is divided between the reference and measuring arms of the interferometer. The part of the beam that fell into the support arm passes through the fiber waveguide 7 of the support arm (see FIGS. 1, 6), or through the supply fiber 15, through the auxiliary housing of the support arm, through the discharge fiber 16 (see FIGS. 5, 9) to splitter 9. The part of the beam that fell into the measuring arm passes through the supply fiber 3, through the passageway 6, and enters the discharge fiber 4 and onto the splitter 9, where it is connected to the beam of the support arm. If a pressure perturbation passes through window 6, then the refractive index changes by ± δn (P) due to the change in pressure relative to the equilibrium value. According to (6), the optical path length of the measuring beam in the transmission window changes by δD (P) = ± δn (P) · L. Then, a phase difference appears between the measuring and reference beams, which is determined by relation (7). In this case, L = 2R, if a mirror block is not used, or L = 4R, if a block with one reflection is used (Fig.6), or is determined by equality (8), if a mirror block with multiple reflections is used. If a composite receiving housing is used, then L = l, where l is the width of the passageway of the housing, if it is a single-pass (Fig. 3), or L = k · l, where k is the number of passes of the beam in it. In this case, the phase difference between the reference and measuring beams is equal to:

$\pm Δ ϑ (P) = \pm \frac{2 π}{λ_{0}} δ n (P) \cdot k \cdot l + ϑ_{0} . (8)$

\pm Δ ϑ (P) = \pm \frac{2 π}{λ_{0}} δ n (P) \cdot k \cdot l + ϑ_{0} . (8)

Эта разность фаз приводит к сдвигу интерференционных полос в поле зрения фоторегистратора 2. По ней находят изменения показателя преломления и восстанавливают вызвавшие их вариации давления.This phase difference leads to a shift in the interference fringes in the field of view of the photorecorder 2. It is used to find the changes in the refractive index and restore the pressure variations that caused them.

Устройство по варианту 2 работает следующим образом. Пучок света от источника когерентного излучения 1 проходит через поляризатор 19 и становится плоскополяризованным. Затем плоскополяризованный пучок проходит через четвертьволновую пластинку 20 (см. фиг.10-14), и приобретает циркулярную поляризацию. Далее пучок проходит через светоделитель, в качестве которого используют либо разветвитель 8 типа 1×2 (см. фиг.12), либо полупрозрачное зеркало 21 (см. фиг.10, 11, 13, 14). Светоделителем входящий пучок разделяется на опорный луч, который направляется в опорное плечо интерферометра, и измерительный луч, который направляется в измерительное плечо. Если в качестве светоделителя используется разветвитель (8), то опорный луч без изменения направления поляризации проходит через волокно 7 опорного плеча на разветвитель 9 типа 1×2 (фиг.12). Если в качестве светоделителя используется полупрозрачное зеркало 21, то вследствие отражения от него опорный луч приобретает направление поляризации, противоположное направления поляризации входящего пучка. Далее он проходит через волокно 7 опорного плеча (фиг.10, 12, 13), либо через подводящее волокно 15, через вспомогательный корпус опорного плеча, через отводящее волокно 16 (см. фиг.11, 14) на разветвитель 9 типа 1×2. Измерительный луч проходит по подводящему волокну 3, затем проходит поперек окна 6 приемного корпуса 5 и отражается от отражательного элемента 18 (фиг.12). При этом направление его циркулярной поляризации сменяется на противоположное. (Поляризация опорного луча не меняется). Далее отраженный луч попадает в торец отводящего волокна 4 и через него подается на разветвитель 9, где соединяется с опорным лучом. Если используется зеркальный блок с четным числом отражений (фиг.2) или составной приемный корпус с уголковыми отражателями (фиг.13), то направление поляризации измерительного луча не изменяется. Однако вследствие отражения от зеркала 21 направления поляризации опорного луча сменяется на противоположное. В опорном плече устройств (фиг.11, 14) установлен вспомогательный корпус, идентичный по длине геометрического пути и по числу отражений луча в нем. В этом случае при прохождении этих корпусов направление поляризации измерительного и опорного лучей одинаковое число раз сменится на противоположное. Однако вследствие отражения от зеркала 21 направление поляризации опорного луча противоположно направлению поляризации измерительного луча.The device according to option 2 works as follows. The light beam from the source of coherent radiation 1 passes through the polarizer 19 and becomes plane-polarized. Then the plane-polarized beam passes through the quarter-wave plate 20 (see FIGS. 10-14), and acquires circular polarization. Next, the beam passes through a beam splitter, which is used as a splitter 8 type 1 × 2 (see Fig. 12), or a translucent mirror 21 (see Fig. 10, 11, 13, 14). The incoming beam is divided by a beam splitter into a reference beam, which is sent to the reference arm of the interferometer, and a measuring beam, which is directed to the measuring arm. If a splitter (8) is used as a beam splitter, then the reference beam without changing the direction of polarization passes through the fiber 7 of the supporting arm to a splitter 9 of the 1 × 2 type (Fig. 12). If a translucent mirror 21 is used as a beam splitter, then due to reflection from it, the reference beam acquires a polarization direction opposite to the polarization direction of the incoming beam. Then it passes through the fiber 7 of the support arm (Fig. 10, 12, 13), or through the supply fiber 15, through the auxiliary housing of the support arm, through the discharge fiber 16 (see Fig. 11, 14) to the splitter 9 type 1 × 2 . The measuring beam passes through the supply fiber 3, then passes across the window 6 of the receiving housing 5 and is reflected from the reflective element 18 (Fig.12). In this case, the direction of its circular polarization is reversed. (The polarization of the reference beam does not change). Next, the reflected beam enters the end face of the discharge fiber 4 and is fed through it to the splitter 9, where it is connected to the reference beam. If you use a mirror unit with an even number of reflections (figure 2) or a composite receiving case with corner reflectors (figure 13), then the polarization direction of the measuring beam does not change. However, due to reflection from the mirror 21, the direction of polarization of the reference beam is reversed. In the support arm of the devices (Figs. 11, 14), an auxiliary housing is installed, identical in length to the geometric path and in the number of beam reflections in it. In this case, when passing through these bodies, the polarization direction of the measuring and reference beams will be reversed the same number of times. However, due to reflection from the mirror 21, the direction of polarization of the reference beam is opposite to the direction of polarization of the measuring beam.

Итак, во всех разновидностях данного варианта устройства на выходе интерферометра направление циркулярной поляризации измерительного луча противоположно направлению поляризации опорного луча. Такие лучи, складываясь в разветвителе 9, в выходном тракте интерферометра перед анализатором 22 (фиг.10-14) образуют луч плоско поляризованный. Поворот плоскости поляризации суммарного излучения определяется набегом разности фаз между лучами двух плеч, обусловленным регистрируемыми возмущениями давления, проходящими через пропускное окно приемного корпуса измерительного плеча. Изменения интенсивности суммарного излучения, прошедшего через анализатор 22, вызванные поворотами плоскости поляризации, определяются соотношением:So, in all varieties of this variant of the device at the output of the interferometer, the direction of circular polarization of the measuring beam is opposite to the direction of polarization of the reference beam. Such rays, folding in the splitter 9, in the output path of the interferometer in front of the analyzer 22 (Fig.10-14) form a plane polarized beam. The rotation of the plane of polarization of the total radiation is determined by the incursion of the phase difference between the rays of the two arms, due to the recorded pressure disturbances passing through the passage window of the receiving arm of the measuring arm. Changes in the intensity of the total radiation transmitted through the analyzer 22 caused by rotations of the polarization plane are determined by the relation:

$I = I_{m} + I_{f} + E_{m} E_{f} [1 - \cos (δ ϑ)] . (9)$

I = I_{m} + I_{f} + E_{m} E_{f} [one - \cos (δ ϑ)] . (9)

Здесь угол поворота плоскости поляризации δϑ равен разности фаз между измерительным и опорным лучом и определяется (5) или (8) в соответствии с конструкцией приемного корпуса, I_m - интенсивность света в измерительном плече, I_f - интенсивность света в опорном плече, E_m - амплитуда электрического поля измерительного луча, E_f - амплитуда электрического поля опорного луча. Косинус - четная функция, поэтому, как видно из (9), вариации интенсивности излучения, попадающего на фоторегистратор, зависят от величины угла поворота плоскости поляризации δϑ, но не зависят от его знака. Однако при прохождении импульса давления через разрыв измерительного плеча интерферометра интенсивность измерительного луча меняется в соответствии с законом Ламберта-Бэра [3]. Если применяется зеркальный блок, то интенсивность луча, прошедшего через пропускное окно, на основе закона Ламберта-Бэра с учетом (4) и многократных отражений представляется в виде:Here, the angle of rotation of the plane of polarization δϑ is equal to the phase difference between the measuring and reference beam and is determined (5) or (8) in accordance with the design of the receiving housing, I _m is the light intensity in the measuring arm, I _f is the light intensity in the supporting arm, E _m is the amplitude of the electric field of the measuring beam, E _f is the amplitude of the electric field of the reference beam. The cosine is an even function, therefore, as can be seen from (9), variations in the intensity of the radiation incident on the photorecorder depend on the angle of rotation of the polarization plane δϑ, but do not depend on its sign. However, when a pressure pulse passes through the gap of the measuring arm of the interferometer, the intensity of the measuring beam changes in accordance with the Lambert-Baire law [3]. If a mirror block is used, then the intensity of the beam passing through the transmission window, based on the Lambert-Baire law, taking into account (4) and multiple reflections, is presented in the form:

$I_{m} = I_{0} η_{m}^{J} \exp (- \frac{4 π}{λ_{0}} D χ), (10)$

I_{m} = I_{0} η_{m}^{J} \exp (- \frac{four π}{λ_{0}} D χ), (10)

где I₀ - исходная интенсивность, η_m - коэффициент отражения, χ - показатель поглощения, a L определяется соотношением (6).where I ₀ is the initial intensity, η _m is the reflection coefficient, χ is the absorption coefficient, and L is determined by relation (6).

Если же применяется составной приемный корпус, то интенсивность луча, прошедшего через его пропускное окно, определяется соотношением:If a composite receiving housing is used, then the intensity of the beam passing through its passage window is determined by the ratio:

$I_{m} = I_{0} η_{m}^{2 (k - 1)} \exp (- \frac{4 π}{λ_{0}} D χ) . (11)$

I_{m} = I_{0} η_{m}^{2 (k - one)} \exp (- \frac{four π}{λ_{0}} D χ) . (eleven)

Здесь D=n·k·l. Если давление возрастает, возрастает показатель преломления n. Вместе с ним возрастает также оптическая длина D пути измерительного луча в зоне измерений. В соответствии с (10, 11) это вызывает уменьшение I_m и E_m. И наоборот, если давление уменьшается, то I_m и E_m возрастают. Этим обеспечивается однозначность связи изменений измеряемого давления и интенсивности излучения, поступающего на фоторегистратор. Пользуясь соотношениями (9), (10), (11) можно по зарегистрированным вариациям интенсивности суммарного излучения найти сдвиги фаз δϑ между измерительным и опорным лучами, а по ним из (5) или (8) (в зависимости от конструкции приемного корпуса) можно найти вариации показателя преломления среды под воздействием импульсов давления.Here D = n · k · l. If the pressure increases, the refractive index n increases. Along with it, the optical path length D of the measuring beam in the measurement zone also increases. In accordance with (10, 11), this causes a decrease in I _m and E _m . Conversely, if the pressure decreases, then I _m and E _m increase. This ensures the uniqueness of the relationship between the changes in the measured pressure and the intensity of the radiation entering the photorecorder. Using relations (9), (10), (11), it is possible to find phase shifts δϑ between the measuring and reference beams from the registered variations in the intensity of the total radiation, and from them from (5) or (8) (depending on the design of the receiving case) find variations in the refractive index of the medium under the influence of pressure pulses.

Из результатов измерений, полученных с помощью предлагаемых устройств, непосредственно извлекают временной профиль показателя преломления. По значениям показателя преломления восстанавливают временной профиль давления. В газовой среде и сухом воздухе для нахождения изменений плотности можно воспользоваться формулой Бера-Гладстона-Дэйла [4]:From the measurement results obtained using the proposed devices, directly extract the time profile of the refractive index. The values of the refractive index restore the time profile of the pressure. In a gaseous medium and dry air, to find the density changes, one can use the Bera-Gladstone-Dale formula [4]:

$K \cdot ρ = n - 1, (12)$

K \cdot ρ = n - one, (12)

где ρ - плотность среды, К - коэффициент, различный для разных газов. Для воздуха K=0,227 см³/г. Распространение звука есть процесс адиабатический, поэтому на основе адиабаты Пуассона и (12), получаем формулу для расчета значений давления по значениям показателя преломления:where ρ is the density of the medium, K is a coefficient different for different gases. For air, K = 0.227 cm ³ / g. Sound propagation is an adiabatic process, therefore, based on the Poisson adiabat and (12), we obtain the formula for calculating the pressure values from the values of the refractive index:

$P = P_{0} {(\frac{n - 1}{K \cdot ρ_{0}})}^{γ}, (13)$

P = P_{0} {(\frac{n - one}{K \cdot ρ_{0}})}^{γ}, (13)

где P₀ - равновесное значение давления, ρ₀- равновесное значение плотности, γ - показатель адиабаты Пуассона для данной газовой среды.where P ₀ is the equilibrium pressure value, ρ ₀ is the equilibrium density value, γ is the Poisson adiabatic exponent for a given gaseous medium.

В реальной воздушной среде практически всегда содержится водяной пар. В такой среде связь между показателем преломления воздуха n и давлением P определяется соотношением [5]:In a real air environment, water vapor is almost always contained. In such a medium, the relationship between the refractive index of air n and pressure P is determined by the relation [5]:

$n = 1 + (n_{0} - 1) \frac{P}{720,775} [1 + \frac{P \cdot (0,817 - 0,0133 \cdot T {}_{0}) 10^{- 6}}{1 + 0,003662 \cdot T_{0}}] - 5,6079 \cdot 10^{- 8} F, (14)$

n = one + (n_{0} - one) \frac{P}{720,775} [one + \frac{P \cdot (0.817 - 0.0133 \cdot T {}_{0}) 10^{- 6}}{one + 0.003662 \cdot T_{0}}] - 5.6079 \cdot 10^{- 8} F, (fourteen)

где, P - давление в мм рт.ст., T₀ - температура воздуха, при которой проводятся измерения, в °C, F - парциальное давление водяного пара в мм рт.ст. при этой же температуре. Если для работы устройства используется излучение гелий-неонового лазера λ₀=0,63299138 мкм), то показатель преломления воздуха для данного излучения при нормальных условиях n₀=1,0002765.where, P is the pressure in mm Hg, T ₀ is the air temperature at which measurements are taken, in ° C, F is the partial pressure of water vapor in mm Hg. at the same temperature. If the device uses radiation from a helium-neon laser λ ₀ = 0.63299138 μm), then the refractive index of air for this radiation under normal conditions is n ₀ = 1,0002765.

В случае малых отклонений давления от равновесного значения связь показателя преломления и давления достаточно точно описывается формулой Эдлена, которая для указанной длины волны имеет вид [6]:In the case of small deviations of the pressure from the equilibrium value, the relationship between the refractive index and pressure is quite accurately described by the Edlen formula, which for the indicated wavelength has the form [6]:

$(n - 1) 10^{- 8} = 38,39 \cdot P \cdot {(0,00367 \cdot T)}^{- 1} - 5,51 \cdot F . (15)$

(n - one) 10^{- 8} = 38.39 \cdot P \cdot {(0.00367 \cdot T)}^{- one} - 5.51 \cdot F . (fifteen)

Значения давления по значениям показателя преломления могут быть определены из (15), либо найдены путем численного решения нелинейного алгебраического уравнения (14) относительно P при фиксированных значениях T₀ и F. Для оперативного представления значений давления предлагаемые устройства могут быть оснащены специальной счетно-решающей приставкой.The pressure values from the values of the refractive index can be determined from (15), or found by numerically solving the nonlinear algebraic equation (14) with respect to P for fixed values of T ₀ and F. For the prompt representation of pressure values, the proposed devices can be equipped with a special calculating-prefix .

При необходимости проведения измерений в среде, для которой неизвестна зависимость n(Р), предлагаемые устройства требуется калибровать. Калибровка таких устройств может производиться путем сравнения их показаний с показаниями обычных калиброванных датчиков давления - оптических или пьезоэлектрических. Возможна также калибровка ударной волной, инициируемой микровзрывом взрывчатого вещества или лазерной искрой в воздухе [7, 8]. При этом из-за нелинейности зависимости n(Р) значение коэффициента калибровки будет зависеть от диапазона изменения измеряемого давления.If it is necessary to carry out measurements in an environment for which the dependence n (P) is unknown, the proposed devices must be calibrated. Such devices can be calibrated by comparing their readings with the readings of conventional calibrated pressure sensors - optical or piezoelectric. Calibration by a shock wave initiated by a microexplosion of an explosive or a laser spark in air is also possible [7, 8]. Moreover, due to the nonlinearity of the dependence n (P), the value of the calibration coefficient will depend on the range of variation of the measured pressure.

Таким образом, предложен оптический способ измерения импульсного давления и устройство для его осуществления в двух вариантах, которое позволяет измерять как статические, так и быстропременные импульсы давления произвольной длительности с широким частотным спектром в оптически прозрачных средах, на работу которого не влияют электромагнитные и механические помехи. Устройство может быть использовано для измерения давления в пожро- и взрывоопасной среде, в среде, как химически нейтральной, так и агрессивной. Однако подобные устройства обеспечивают регистрацию не только полезного сигнала, но и флуктуации интенсивности применяемых в них источников света и флуктуации темнового тока в ФЭУ. Эти шумовые искажения могут быть учтены и удалены в процессе численной обработки зарегистрированных данных.Thus, an optical method for measuring pulsed pressure and a device for its implementation in two versions is proposed, which allows measuring both static and fast-forward pressure pulses of arbitrary duration with a wide frequency spectrum in optically transparent media, the operation of which is not affected by electromagnetic and mechanical interference. The device can be used to measure pressure in a fire and explosive atmosphere, in an environment that is both chemically neutral and aggressive. However, such devices provide registration of not only a useful signal, but also fluctuations in the intensity of the light sources used in them and fluctuations of the dark current in the PMT. These noise distortions can be taken into account and removed during the numerical processing of the recorded data.

Источники информацииInformation sources

1. RU 2159925 C1, (24) 24.08.1999.1. RU 2159925 C1, (24) 08.24.1999.

2. Костюкевич Е.А. Оптические датчики импульсного давления. / Е.А. Костюкевич // ПТЭ. - 1983, №5. - С.209-212.2. Kostyukevich EA Optical impulse pressure sensors. / E.A. Kostyukevich // PTE. - 1983, No. 5. - S.209-212.

3. Ландсберг Г.С. Оптика. / Г.С. Ландсберг. - М.: Наука, 1976. - 928 с.3. Landsberg G.S. Optics. / G.S. Landsberg. - M .: Nauka, 1976 .-- 928 p.

4. Бацанов С.С. Структурная рефрактометрия. / С.С. Бацанов. - М.: Высшая школа, 1976. - 304 с.4. Batsanov S.S. Structural refractometry. / S.S. Batsanov. - M.: Higher School, 1976. - 304 p.

5. Реди Дж. Промышленные применения лазеров. / Дж. Реди. - М.: Мир, 1981. - 638 с.5. Redi J. Industrial applications of lasers. / J. Redi. - M .: Mir, 1981. - 638 p.

6. Привалов В.Е. Лазерные интерферометры для механических измерений. / В.Е. Привалов. СПб.: - 1992. - 56 с. - С.5.6. Privalov V.E. Laser interferometers for mechanical measurements. / V.E. Privalov. SPb .: - 1992. - 56 p. - C.5.

7. Абашкин Б.И. Пьезоэлектрическое измерение коротких волн давления / Б.И. Абашкин [и др.] // Акуст. журн. - 1969. - Т.15, №2. - С.174-177.7. Abashkin B.I. Piezoelectric measurement of short pressure waves / B.I. Abashkin [et al.] // Acoust. journal - 1969. - T.15, No. 2. - S. 174-177.

8. Устройство для калибровки датчиков импульсного давления: пат. 6749 Республики Беларусь, МПК⁷ G01L 27/00 / Ю.А.Чивель; заявитель ИМАФ ПАН Беларуси. - № а20020620; заявл. 2002.07.16; опубл. 2004.09.09 // Афiцыйны бюл. / Вынаходствы, карысныя мадэлi, прамысловыя узоры. - 2004. - №4. - С.182.8. Device for calibrating pulse pressure sensors: US Pat. 6749 of the Republic of Belarus, IPC ⁷ G01L 27/00 / Yu.A. Chivel; applicant IMAF PAN Belarus. - No. a20020620; declared 2002.07.16; publ. 2004.09.09 // Afitsyiny bul. Findings, karysynya madei, pramyslovy patterns. - 2004. - No. 4. - S.182.

Claims

1. A method of measuring the pulsed pressure of a medium, including modulating the characteristics of the recording radiation under the influence of a pressure pulse, characterized in that for modulating the optical path length of the recording radiation, changes are made in the refractive index of the medium under the influence of pressure perturbations in the region of the measuring beam with its fixed geometric parameters.

2. A device for implementing the method of measuring pulsed pressure comprises a radiation source and a photodetector connected by a two-arm fiber interferometer with the edges of the measuring arm discontinuity open to the medium with pressure perturbations, fixed in the receiving case with a window that transmits recorded disturbances, in which the phase difference modulator between the reference and measuring rays are the medium between the edges of the gap.

3. The device according to claim 2, characterized in that an auxiliary housing is inserted in the support arm of the interferometer, identical to the receiving housing in the measuring arm, isolated from the effects of the recorded pressure disturbances.

4. The device according to claim 2, characterized in that the receiving housing is made up of two parts, shifted along the propagation of the recording radiation and fixed in the working position, as one unit.

5. The device according to claim 2, characterized in that the receiving housing is equipped with angular reflectors installed so that the passages of the measuring beam in the receiving housing are parallel to each other.

6. The device according to claim 2, characterized in that a reflective element or a mirror unit with open ends is installed in the receiving case so that its inside serves as a window that transmits recorded disturbances.

7. The device according to claim 6, characterized in that the mirror unit is mounted to rotate around its longitudinal axis.

8. The device for implementing the method of measuring pulsed pressure comprises a radiation source and a photodetector connected by a two-arm fiber polarizing interferometer with the edges of the measuring arm discontinuity open to the medium with pressure perturbation bursts fixed in a receiving housing with a window that transmits recorded disturbances by a superposition polarization plane angle modulator The reference and measuring beams are the medium between the edges of the gap.

9. The device according to claim 8, characterized in that an auxiliary housing is inserted in the supporting arm of the interferometer, identical to the receiving housing in the measuring arm, isolated from the effects of the recorded pressure disturbances.

10. The device according to claim 8, characterized in that the receiving housing is made up of two parts, shifted along the propagation of the recording radiation and fixed in the working position, as a whole.

11. The device according to claim 8, characterized in that the receiving housing is equipped with corner reflectors installed so that the passages of the measuring beam in the receiving housing are parallel to each other.

12. The device according to claim 8, characterized in that a reflective element or a mirror unit with open ends is installed in the receiving case so that its inside serves as a window that transmits recorded disturbances.

13. The device according to p. 12, characterized in that the mirror unit is mounted to rotate around its longitudinal axis.