SU1755382A1 - Fiber-optic sensor - Google Patents

Fiber-optic sensor Download PDF

Info

Publication number
SU1755382A1
SU1755382A1 SU904822705A SU4822705A SU1755382A1 SU 1755382 A1 SU1755382 A1 SU 1755382A1 SU 904822705 A SU904822705 A SU 904822705A SU 4822705 A SU4822705 A SU 4822705A SU 1755382 A1 SU1755382 A1 SU 1755382A1
Authority
SU
USSR - Soviet Union
Prior art keywords
fiber
laser
light guide
optical fiber
photodetector
Prior art date
Application number
SU904822705A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Валерий Николаевич Филиппов
Original Assignee
Ленинградский Политехнический Институт Им.М.И.Калинина
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ленинградский Политехнический Институт Им.М.И.Калинина filed Critical Ленинградский Политехнический Институт Им.М.И.Калинина
Priority to SU904822705A priority Critical patent/SU1755382A1/en
Application granted granted Critical
Publication of SU1755382A1 publication Critical patent/SU1755382A1/en

Links

Landscapes

  • Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

Использование: область волоконной оптики , в частности измерение малых акустических и электромагнитных возмущений, посто нных и перемещенных во времени. Сущность изобретени : волоконно-оптический датчик содержит источник когерентного излучени , световод, катушку, фотодетектор и фазовый дискриминатор. Источник когерентного излучени  выполнен в виде двухчастотного лазера С ортогональными пол ризаци ми мод, а световод - в виде анизотропного одномодовбго оптического волокна Между лазером и световодом размещены последовательно установленные полуволнова  пластина и первый микрообь- ектив. Между световодом и фотодетектором размещены последовательно установленные второй микрообъектив и пол ризатор- анализатор, плоскость пол ризации которого ориентирована под углом 45° относительно осей анизотропии оптического во- локна, совмещенных с плоскост ми пол ризации мод лазера. 1 илUsage: the field of fiber optics, in particular the measurement of small acoustic and electromagnetic disturbances, constant and displaced in time. SUMMARY OF THE INVENTION: A fiber optic sensor comprises a coherent radiation source, a light guide, a coil, a photodetector, and a phase discriminator. The coherent radiation source is made in the form of a two-frequency laser with orthogonal polarization of modes, and the light guide is made in the form of an anisotropic single-mode optical fiber. The sequentially installed half-wave plate and the first micro objective are placed between the laser and the light guide. Between the light guide and the photodetector there are successively installed a second micro lens and a polarizer-analyzer, the polarization plane of which is oriented at an angle of 45 ° amp; relative to the anisotropy axes of the optical fiber, aligned with the polarization planes of the laser modes. 1 silt

Description

(L

СWITH

Изобретение относитс  к измерению малых акустических и электромагнитных возмущений, посто нных и переменных во времени.The invention relates to the measurement of small acoustic and electromagnetic disturbances, constant and variable in time.

Известны устройства дл  измерени  малых акустических возмущений, содержащие источники излучени  - лазер, оптическое волокно, оптическую систему формировани  светового пучка и фотодетектор.Devices for measuring small acoustic disturbances are known that contain radiation sources — a laser, an optical fiber, an optical system for forming a light beam, and a photodetector.

Недостатком устройств  вл етс  неконтролируемое затухание сигналов (фединг сигналов). Это результат воздействи  на оптическое волокно окружающей среды.The disadvantage of the devices is the uncontrolled attenuation of signals (fading of signals). This is the result of exposure to the optical fiber environment.

Наиболее близким к предлагаемому  вл етс  волоконно-оптический датчик акустических колебаний, содержащий источник когерентного излучени , акустооптический модул тор, делительное зеркало, два оптических волокна, смесительное зеркало, фотодетектор и фазовый дискриминатор. Излучение лазера делитс  на два пучка делительным зеркалом. Один пучок проходит через акустооптический модул тор и вводитс  в оптическое волокно. Он играет роль опорного пучка. Другой пучок вводитс  в волокно, расположенно е в жидкбсти. Акустическа  волна, распростран юща с  в этой жидкости, вызывает изменени  коэффициента преломлени  или длины волокна. Результатом  вл етс  изменение фазы света , распростран ющегос  в волокне, по закону акустического возмущени ; Световые пучки, прошедшие опорное и сигнальное волокно , смешиваютс  на смесительном зеркале и поступают на фотодетектор. На нагрузке фотодетектора выдел етс  сигнал с частотой ГАО, определ емой акустооптиче- ским модул тором. Сигнал акустооптичеVIClosest to the present invention is a fiber optic acoustic wave sensor comprising a coherent radiation source, an acousto-optic modulator, a dividing mirror, two optical fibers, a mixing mirror, a photodetector, and a phase discriminator. The laser radiation is divided into two beams by a dividing mirror. One beam passes through an acousto-optic modulator and is introduced into the optical fiber. He plays the role of the reference beam. Another bundle is introduced into the fiber, located in the fluid. An acoustic wave propagating in this fluid causes changes in the refractive index or fiber length. The result is a change in the phase of light propagating in the fiber, according to the law of acoustic disturbance; The light beams that pass through the reference and signal fibers are mixed on the mixing mirror and fed to the photo detector. On a photodetector load, a signal is extracted with a GAO frequency determined by an acousto-optic modulator. Acousto-opticVI signal

СПSP

ел соate with

0000

NDND

ского модул тора fAO промодулирован по фазе по закону акустического возмущени ; которому подверглось волокно. Дл  восстановлени  информационного (акустического) сигнала используют фазовый дискримина- тор.the fAO modulator of a modulator is phase modulated according to the law of acoustic disturbance; to which the fiber was subjected. A phase discriminator is used to restore the information (acoustic) signal.

Данное устройство обладает существенным недостатком - неконтролируемым затуханием сигнала (федингом), ведущим к срыву работы датчика. Фединг сигнала оп- редел етс  следующим образом, Оптическое волокно (и опорное, и сигнальное) в реальных услови х укладки подвергаетс  воздействи м окружающей среды (нагреву, изгибам, сжатию, вибрации и ударам). Это ведет к неконтролируемым изменени м двулучепреломлени  волокна, переменным во времени. В результате мен етс  пол ризаци  света, прошедшего волокно. Таким образом, пол ризаци  пучков на смеситель- ном зеркале оказываютс  рассогласованными . Видность интерференционной картины и, следовательно, амплитуда сигнала с частотой АО определ етс  изменением внешних условий, в которых наход тс  опорное и сигнальное волокна. Если пол ризации пучков на смесительном зеркале ортогональны, то амплитуда сигнала с частотой Тдо равна нулю В случае совпадени  пол ризаций пучков амплитуда сигнала максимальна. Итак, воздействи  окружающей среды на волоконный тракт датчика привод т к срыву его работы, что в конечном счете приводит к снижению точности датчика .This device has a significant drawback - uncontrolled attenuation of the signal (fading), leading to the breakdown of the sensor. The fading of a signal is determined as follows. Optical fiber (both reference and signal) under actual laying conditions is exposed to environmental influences (heating, bending, compression, vibration, and shock). This leads to uncontrolled changes in birefringence of the fiber, which are variable in time. As a result, the polarization of the light passing through the fiber changes. Thus, the polarization of the beams on the mixing mirror are mismatched. The visibility of the interference pattern and, therefore, the amplitude of the signal with the frequency of the AO is determined by the change in the external conditions in which the reference and signal fibers are located. If the polarizations of the beams on the mixing mirror are orthogonal, then the amplitude of the signal with frequency Tdo is zero. If the polarizations of the beams coincide, the amplitude of the signal is maximum. So, the environmental impact on the fiber path of the sensor leads to a breakdown of its operation, which ultimately leads to a decrease in the accuracy of the sensor.

Цель изобретени  - повышение точности датчика за счет уменьшени  вли ни  внешнего воздействи  окружающей среды на волокно.The purpose of the invention is to improve the accuracy of the sensor by reducing the influence of external environmental influences on the fiber.

Поставленна  цель достигаетс  тем, что в устройстве, содержащем источник когерентного излучени , оптическое волокно, фотодетектор и фазовый дискриминатор, источник оптического излучени  выполнен в виде двухчастотного лазера с ортогональ- ными пол ризаци ми мод, а световод - в виде анизотропного одномодового оптического волокна, причем азимуты пол ризаций мод лазера совпадают с ориентацией осей анизотропии волокна. Кроме того, в устройство включен анализатор-пол ризатор , расположенный между выходным торцом световода и ориентированный под углом 45° относительно осей анизотропии волокна. The goal is achieved by the fact that, in a device containing a coherent radiation source, an optical fiber, a photodetector and a phase discriminator, the optical radiation source is made in the form of a two-frequency laser with orthogonal polarization modes, and the fiber is in the form of an anisotropic single-mode optical fiber, The azimuths of polarization of the laser modes coincide with the orientation of the anisotropy axes of the fiber. In addition, a polarizer analyzer located between the output end of the fiber and oriented at an angle of 45 ° relative to the fiber anisotropy axes is included in the device.

Использование двухчастотного лазера с ортогональными пол ризаци ми и анизотропного волокна приводит к тому, что оптическа  схема датчика становитс  одноплечевой. Волоконно-оптический датчик , построенный по такой схеме, обладает устойчивостью к воздействи м окружающей среды на волокно. Это определ етс  тем, что используетс  анизотропное волокно . Пол ризаци  излучени , распростран ющегос  в таком волокне, мало мен етс  при возмущени х волокна, Кроме того, и это главное, оба интерферирующих пучка пространственно совмещены практически идеально - они распростран ютс  в одних и тех же услови х (в одном и том же волокне). Внешние возмущени  мен ют услови  распространени  одного интерферирующего пучка (мода с частотой f 1) точно так же, как и услови  распространени  другого интерферирующего пучка (мода с частотой h) Поэтому , даже если пол ризации интерферирующих пучков мен ютс  (при очень сильных воздействи х), они мен ютс  согласованно. Соотношение ортогональности пол ризаций интерферирующих пучков, распростран ющихс  в волокне, остаетс  посто нным во всех случа х. На пол ризаторе-анализаторе перед фотоприемником выдел ютс  коллинеарные компоненты полей мод лазера, которые, проинтерфериро- вав, дают сигнал разностной частоты fi-fa на нагрузке фотоприемника. Так как соотношение ортогональности пол ризаций интерферирующих мод сохран етс , сохран етс  также посто нной амплитуда сигнала разностной частоты f i-fa Таким образом , существенным отличительным признаком  вл етс  то, что оптическа  схема датчика при использовании описанных лазера и волокна,  вл етс  одноплечевой.The use of a dual-frequency laser with orthogonal polarization and anisotropic fiber causes the optical circuit of the sensor to become single-arm. A fiber optic sensor built according to this scheme is resistant to environmental effects on the fiber. This is determined by the use of anisotropic fiber. The polarization of the radiation propagating in such a fiber varies little under fiber disturbances. In addition, and most importantly, both interfering beams are spatially almost perfectly aligned — they propagate under the same conditions (in the same fiber). ). External disturbances change the propagation conditions of one interfering beam (mode with frequency f 1) in the same way as the conditions of propagation of another interfering beam (mode with frequency h) Therefore, even if the polarizations of interfering beams change (with very strong effects) they change consistently. The orthogonality ratio of the polarizations of the interfering beams propagating in the fiber remains constant in all cases. On the polarizer-analyzer in front of the photodetector, the collinear components of the laser mod fields are highlighted, which, after interfering, produce the signal of the difference frequency fi-fa on the photodetector load. Since the ratio of the orthogonality of the polarizations of the interfering modes is preserved, the amplitude signal of the difference frequency f i-fa is also constant. Thus, a significant distinguishing feature is that the optical scheme of the sensor using the described laser and fiber is single-arm.

На чертеже изображена структурна  схема волоконно-оптического датчика.The drawing shows a structural diagram of a fiber optic sensor.

Датчик содержит лазер 1 с возможностью генерации двух мод с частотами f 1 и г и ортогональными пол ризаци ми, полуволновую пластинку 2, микрообьективы 3, одномодовое анизотропное оптическое волокно 4, намотанное на катушку 5, пол ризатор-анализатор 6, фотодетектор 7 и фазовый дискриминатор 8.The sensor contains a laser 1 with the possibility of generating two modes with frequencies f 1 and g and orthogonal polarizations, half-wave plate 2, microobjects 3, single-mode anisotropic optical fiber 4 wound on coil 5, polarizer-analyzer 6, photodetector 7 and phase discriminator eight.

Устройство работает следующим образом .The device works as follows.

Излучение лазера 1, генерирующего две моды с частотами f 1 и fa и с ортогональными пол ризаци ми, вводитс  в одномодовое анизотропное волокно 4 с помощью полуволновой пластинки 2 и первого микрообъектива 3. В качестве такого оптического источника можно использовать зееманов- ский лазер (ЛГН-212) либо двухчастотный лазер с внутренними зеркалами (ЛГН- 208А.Б). Управл   ориентацией полуволновой пластинки 2, добиваютс  совпадени  азимутов пол ризаций мод лазера fi и hThe radiation from laser 1, which generates two modes with frequencies f 1 and fa and with orthogonal polarizations, is introduced into a single-mode anisotropic fiber 4 using a half-wave plate 2 and the first micro-lens 3. A Zeeman laser (LGN) can be used as such an optical source 212) or a two-frequency laser with internal mirrors (LGN-208AB). By controlling the orientation of the half-wave plate 2, the azimuths of the polarizations of the fi and h modes of the laser are achieved.

соответственно с направлением быстрой и медленной оси анизотропии волокна. Оптическое волокно 4 намотано на датчико- вую катушку 5. Последн   помещаетс  в жидкость, в которой распростран ютс  звуковые волны. Под действием звукового давлени  мен етс  длина оптического волокна. Соответственно измен етс  фаза оптического излучени , распростран ющегос  в волокне. Если катушку 5 выполнить из пьезоэлектрического или магнитострикционно- го материала, то помещение катушки 5 соответственно в электрическое или магнитное поле также приводит к изменению фазы света в оптическом волокне. Определив изменение фазы когерентного излучени , получают информацию о величине воздействи , которому подверглась датчи- кова  катушка.respectively with the direction of the fast and slow axis of the anisotropy of the fiber. The optical fiber 4 is wound on a sensor coil 5. The latter is placed in a liquid in which sound waves propagate. Sound pressure changes the length of the optical fiber. The phase of the optical radiation propagating in the fiber changes accordingly. If the coil 5 is made of a piezoelectric or magnetostrictive material, then placing the coil 5 in an electric or magnetic field, respectively, also leads to a change in the phase of the light in the optical fiber. Having determined the change in the phase of coherent radiation, information is obtained about the magnitude of the effect to which the sensor coil has been subjected.

Рассмотрим подробнее процесс модул ции фазы света в датчике. В датчиковом волокне распростран ютс  две волны с ортогональными пол ризаци ми. Пол  этих волн определ ютс  во времени так:Let us consider in more detail the process of modulating the phase of light in the sensor. Two waves with orthogonal polarizations propagate in the sensor fiber. The sex of these waves is determined in time as follows:

2 Яш L2 Yash L

Ei Eiosin( + Ј2 Ј20 sin(2 л f2t +Ei Eiosin (+ Ј2 Ј20 sin (2 l f2t +

ЯI

2 7ГП2 L2 7ГП2 L

): .(t) ): (2)):. (t)): (2)

где f i, h частоты мод, генерируемых лазером:where f i, h are the frequencies of the modes generated by the laser:

А - длина волны излучени  лазеров;A is the radiation wavelength of lasers;

ni,n2 - эффективные коэффициенты преломлени  анизотропного волокна по быстрой и медленной оси волокна соответственно;ni, n2 are the effective refractive indices of anisotropic fiber along fast and slow fiber axes, respectively;

L - длина волокна.L is the fiber length.

Свет, прошедший через волокно, проходит затем через второй микрообъектив и пол ризатор-анализатор, ориентированный под углом 45° относительно направлени  одной из осей анизотропии волокна. На нагрузке фотодетектора 7 выдел етс  сигнал разностной частоты:The light passing through the fiber then passes through the second micro-lens and a polarizer-analyzer, oriented at an angle of 45 ° relative to the direction of one of the anisotropy axes of the fiber. On the load of the photodetector 7, a difference frequency signal is extracted:

f sln(2tt(fi-f2)t + BL),(3)f sln (2tt (fi-f2) t + BL), (3)

где В 2 лг(п1-Л2)/А - анизотропи  волокна .where B 2 lg (n1-A2) / A is the anisotropic fiber.

Воздействие измер емых датчиком физических полей сводитс  к изменению длины волокна. Из формулы (3) следует, что изменение длины оптического волокна приводит к модул ции фазы сигнала разностной частоты. Сигнал фотодетектора поступает на фазовый дискриминатор. Выходной сигнал фазового дискриминатора пропорционален измер емому физическому параметру.The impact of physical fields measured by the sensor is reduced to a change in fiber length. From formula (3), it follows that a change in the length of the optical fiber leads to modulation of the phase of the difference frequency signal. The photodetector signal enters the phase discriminator. The output signal of the phase discriminator is proportional to the measured physical parameter.

Обща  конфигураци  построени  датчика , позвол юща  поддерживать неизменной взаимную ориентацию пол ризаций полей интерферирующих пучков, позвол ет создать датчик, устойчиво работающий при разнообразных паразитных воздействи х окружающей среды на волокно.The general configuration of the sensor construction, which allows maintaining the mutual orientation of the polarizations of the fields of the interfering beams unchanged, makes it possible to create a sensor that stably operates under various parasitic environmental influences on the fiber.

Claims (1)

Формула изобретени Invention Formula Волоконно-оптический датчик, содержащий источник когерентного излучени , световод, катушку, фотодетектор и фазовый дискриминатор, отличающийс  тем,A fiber optic sensor containing a coherent radiation source, a light guide, a coil, a photodetector, and a phase discriminator, characterized in что, с целью повышени  точности за счет уменьшени  вли ни  внешнего воздействи  окружающей среды, источник когерент- ного излучени  выполнен в виде двухчастотного лазера с ортогональнымиthat, in order to increase accuracy by reducing the influence of external environmental influences, the coherent radiation source is designed as a two-frequency laser with orthogonal пол ризаци ми мод, а световод - в виде анизотропного одномодового оптического волокна, между лазером и световодом размещены последовательно установленные введенные полуволнова  пластина и первый микрообъектив, а между световодом и фотодетектором размещены последовательно установленные введенные второй микрообьектив И пол ризатор-анализатор, плоскость пол ризации которого ориентирована под углом 45° относительно своей анизотропии оптического волокна, совмещенных с плоскост ми пол ризации мод лазера .the mode is polarized, and the fiber is in the form of an anisotropic single-mode optical fiber, sequentially installed inserted half-wave plate and first micro lens are placed between the laser and the fiber, and sequentially inserted second micro lens and polarizer-analyzer are placed between the fiber and photo detector; is oriented at an angle of 45 ° with respect to its anisotropy of the optical fiber, combined with the polarization planes of the laser modes.
SU904822705A 1990-05-03 1990-05-03 Fiber-optic sensor SU1755382A1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU904822705A SU1755382A1 (en) 1990-05-03 1990-05-03 Fiber-optic sensor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU904822705A SU1755382A1 (en) 1990-05-03 1990-05-03 Fiber-optic sensor

Publications (1)

Publication Number Publication Date
SU1755382A1 true SU1755382A1 (en) 1992-08-15

Family

ID=21512801

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
SU904822705A SU1755382A1 (en) 1990-05-03 1990-05-03 Fiber-optic sensor

Country Status (1)

Country Link
SU (1) SU1755382A1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1996031761A1 (en) * 1995-04-03 1996-10-10 General Electric Company Ultrasonic/vibration detection using polarization beating in a microchip laser
RU2566606C1 (en) * 2011-10-05 2015-10-27 Ньюбрекс Ко., Лтд. Distributed fibre-optic sound wave detector

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Волоконна оптика и приборостроение/ / Под ред. М.Бутусова, Л , 1987, с.134-136. Патент US№ 4162397, кл Н 04 В 9/00, 1979. *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1996031761A1 (en) * 1995-04-03 1996-10-10 General Electric Company Ultrasonic/vibration detection using polarization beating in a microchip laser
RU2566606C1 (en) * 2011-10-05 2015-10-27 Ньюбрекс Ко., Лтд. Distributed fibre-optic sound wave detector

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4960319A (en) Active polarization control servo and method
US4699513A (en) Distributed sensor and method using coherence multiplexing of fiber-optic interferometric sensors
US4529313A (en) Ring interferometer
US4112367A (en) Magnetomer using a thin magnetic film optical waveguide with a.c. modulation and automatic nulling
JPH04172261A (en) Apparatus for measuring strength of electromagnetic field
JP2619981B2 (en) Electromagnetic field strength measuring device
US5297436A (en) Optical fibre ultrasonic sensor
JPH02234015A (en) Method and system for detecting rotation of optical fiber
EP0075013B1 (en) Fiber optic rotation sensor
US4436422A (en) Sensor which is sensitive to pressure, tension, torsion and heat and a process of operation
SU1755382A1 (en) Fiber-optic sensor
RU2762530C1 (en) Interferometric fiber-optic gyroscope
US5351116A (en) Velocimeters
NL1026613C2 (en) Improved polarization controller using spatial filtering.
Bergh All-fiber gyroscope with optical-Kerr-effect compensation
Carrara Drift reduction in optical fiber gyroscopes
Hand et al. Extrinsic Michelson interferometric fibre optic sensor with bend insensitive downlead
CN114370928B (en) Linear type Sagnac interference type optical fiber vibration sensor
JP2751599B2 (en) Hikaribaiyairo
SU1764176A1 (en) Optical fibre device for data collecting
Domanski et al. Polarimetric fiber optic sensors with partially polarized laser sources
SU1037182A1 (en) Acceleration meter
JPH09264939A (en) Polarization-independent-type physical-quantity measuring method
STOKES Single-Mode Optical-Fiber Resonator and Applications To Sensing (Fiber Sensor, Fiber Laser, Fiber Gyroscope)
SU1130808A1 (en) Magnetic optical teslameter