Оптико-электронные измерительные системы на основе квази-распределенных волоконно-оптических брэгговских датчиков (1025511), страница 15
Текст из файла (страница 15)
Кроме того, аберрационное уширение пятна значительно меньше, так как ФПУ находится в центре. Также при регистрации не возникает дополнительных потерь из-за виньетирования. При измерении спектра с помощью вращающихся оптических элементов важной характеристикой является угловая дисперсия. Именно эта характеристика по существу определяет потенциальную точность измерения длины волны. Максимальная угловая дисперсия монохроматора может быть определена, исходя из следующего выражения: 1 В— г соя(у) (2.59) двухпроходном монохром аторе). Это означает, что для получения погрешности измерения длины волны 1 пм требуется точность измерения угла поворота 2.8". Конечно, существуют оптические интерференционные датчики, способные измерять угол с погрешностью до 0,5"147), но эти датчики, сами по себе, являются крайне дорогостоящими.
Типичные угловые датчики имеют погрешность 30...60", что дает погрешность измерения длины волны 10...20 пм. Динамический диапазон и максимальная частота опроса датчиков могут быть оценены из выражения: где /- период штриха (г>Х/2), ~р- угол падения излучения на дифракционную решетку. Для стандартных условий при длине волны 1=1650 нм и угле падения ~р=85', Максимальная дисперсия составляет 2.8 "/пм (5,6 "/пм при 93 ЬЛ (а н~я!0 «(Ю (Ц)экю) ~Ы) л (/(~)~/~ о ( л~„ ЭжШ ФПУ .г ие >,и+ (2.60) (1/,и+ я) где Рэ„.щ,фпу - удельная мощность эквивалентная шуму (характеристика ФПУ, методика расчета которой аналогична выражению 2.40), Ы„- полный рабочий спектральный диапазон, лХ„,„- шаг перестройки длины волны (его обычно выбирают равным 1/5 спектральной разрешающей способности), Г- частота опроса датчиков).
Результаты расчета, для данных, аналогичным приведенным в предыдущем разделе (СЛД мощностью Р„, =1 мВт, Рэ,шф,у=0,11 пВт/Гц~~~, ЛХ„=40 нм, ЬХ.„=10 пм, а=10 дБ, т~=б дБ, Т.=0,1, ширина спектра источника излучения 40 нм по уровню 1/е (в окрестности 1=1550 нм), разрешения монохроматора ЛХ„=50 пм, ширины спектра брэгговской решетки по уровню 1/е Ы~„=250 пм, с допущением, что К(Х), р(Х), К(Х)-гауссоиды) показывают, что необходимое время для проведения' одного цикла измерений составляет 0,015 с, то есть время измерений примерно в 240 раз выше, по сравнению с предыдущим методом.
Из приведенного анализа, можно сделать выводы, что спецификой данного метода измерений являются: 1) сравнительно высокая погрешность измерения резонансной длины волны, которая составляет 10. „20 пм; 2) широкий рабочий спектральный диапазон (фактически ограничивается источником); 3) реализация средних частот опроса датчиков до 70...100 Гц - и невысокий динамический диапазон 10... 15дБ Исходя из данной специфики, можно сделать вывод, что данные измерительные системы, построенные по данному принципу измерения рационально использовать в случае, когда необходимо измерять деформации с большого количества датчиков с относительно невысокой точностью. 2.2.2.3.
Методика регистрации информационных сигналов с применением интерферометра Фабри-Перо. Метод регистрации аналогичен методу с применением монохроматора и одноплощадочного ФПУ, с той лишь разницей, что вместо монохроматора используется перестраиваемый интерферометр Фабри-Перо. Структурная схема устройства приведена на рис.2.16 Рис. 2.16. Структурная схема устройства регистрации сигнал,с ВОБП при помощи сканирующего интерферометра Фабри-Перо. В данной схеме излучение от СЛД поступает на оптический изолятор- устройство, которое предотвращает отражение и рассеяние назад излучения в СЛД.
После прохождения оптического разветвителя, излучение, отраженное Ф от датчиков 1...М, поступает на вход сканирующего интерферометра Фабри- Перо. В зависимости от поданного напряжения на его пьезокерамический привод, изменяется спектр пропускания интерферометра, то есть интер ферометр работает как перестраиваемый фильтр, а прошедшее излучение регистрируется одноплощадочным ФПУ. Пропускание интер ферометра (в приближении плоских волн) описывается формулой Эйри [48, с.
1941: ТЯ=ТОН1+,)яп'(2к и.! ~ соя,В)) ', (2.61) ~1 Р)2 где ч - частота, выраженная в волновых числах; р — угол преломления светового пучка в рабочем промежутке эталона; Т, — максимальное 95 значение пропускания; А- коэффициент отражения зеркал; 1 — оптическая длина базы интерферометра. Рабочий спектральный диапазон интерферометра определяется базой интерферометра 1 и равен: Л2 ЛЛ„„ 2 1 сов(/9) (2.62) Ширина пиков по уровню Л„„, определяемая по уровню 0,5 определяется выражением: (2.63) где Р- фактор резкости, зависящий от коэффициента отражения зеркал К: Р Д1/1 1(1 Д) (2.64) сохранения площади, пропорциональной суммарной мощности излучения). Уменьшение максимального пропускания эталона в этом случае определяется следующим выражением~48): (2.65) где Ыоко — среднеквадратическое отклонение базы эталона от ее среднего значения ш/.012.
В частности, при разъюстировке зеркал эталона на малый угол ~р величина Аско равна: Ч' /'1ско л (2.66) где д„- диаметр пучка. Для дальнейшего исследования характеристик интерферометра проведем анализ функции пропускания интерферометра Т(~/) в зависимости от качества его изготовления. Непараллельность и неплоскостность рабочих поверхностей эталона приводит к тому, что излучение с одинаковой частотой после прохождения через эталон приобретшот разные углы наклона и фазовые набеги. Вследствие этого эффективное число интер ферирующих лучей и соответственно контраст функции пропускания уменьшаются: пики пропускания становятся ниже и одновременно уширяются (из условия Если выразить допуск на отклонение формы через эксплуатационные характеристики, то получим соотношение: (2.67) Из (2.69) следует, что для обеспечения потерь 90% (Г=0,9) в интерферометре Фабри-Перо со следующими характеристиками: 1)рабочий спектральный диапазон 61=50 нм, в окрестности длины волн 1=1550 нм; 2) разрешение ЬХ=О,О5 нм; величина ЖС„0 составит 1 нм.
Если допустить, что половина составляющей Ы,„ обусловлена разъюстировкой, диаметр пучка с1„=62,5 мкм (диаметр линзы из градиентного волокна), то допуск на разьюстировку зеркал интерферометра, определяемый по формуле: (2.68) составит Ч'=3,3". В то же время, современные технологии оптического приборостроения позволяют получить параллельность плоскостей с допуском 0,15,.0,3".
В частности технологии суперфинишной обработки поверхностей, такие как магнитореологическое полирование и ионное травление, позволяют Э получить микрошероховатость 0,1 нм. Перечисленные факторы дают возможность получить интерферометры Фабри-Перо с фактором резкости 10000..20000. Эти данные, подтверждаются продукцией фирмы М1сгопОрпсз, выпускающей интерферометры Фабри-Перо с фактором резкости до 10 000 (что позволяет реализовывать интерферометры с разрешением 30 пм и диапазоном перестройки 300 нм и с коэффициентом пропускания Т~„=0,5). Одной из проблем данного метода регистрации является то, что используемый пъезокерамический привод обладает сравнительно высокой нелинейностью, которая, по данным публикаций [49~, составляет 0,2..1%, что для области сканирования 40 нм, составит 80...400 пм.
Для уменьшения 97 данной погрешности во ФГУП ВНИИОФИ при участии автора было предложено использовать реперные точки, через узкие спектральные интервалы на которых погрешность будет компенсироваться 1501. Структурная схема системы с использованием реперных точек приведена на рис. 2.17 Рис. 2,17. Структурна схема системы с улучшенными характеристиками С целью уменьшения погрешности измерения длины волны до ® 2,5...10 пм, в данной схеме предлагается использовать второй интерферометр Фабри-Перо с фиксированной базой между зеркалами, имеющий свободный спектральный диапазон 0,5 нм (то есть, интерферометр имеет пики пропускания через каждые 0,5 нм), С помощью данных пиков (реперных точек) погрешность «обнуляется» кащцые 0,5 нм (рис.
38). Соответствующая необходимая длина базы интерферометра определяется из выражения: (2.69) 2.6Л соя(у) и для окрестности длины волны 1545 нм, для ~р=к/2, необходимая оптическая длина базы 1 составляет 24 мм. В качестве такого интерферометра также можно использовать интерферометр фирмы М1сгоп Ораз.
Стабильность длины волны такого интерферометра согласно спецификации производителя зависит от температуры с коэффициентом 7,3 пм/'С 15Ц. Поэтому для уменьшения температурного дрейфа интерферометр Фабри-Перо необходимо поместить в термостат, поддерживающий температуру 40~0,1'С, что обеспечивает стабильность длины волны независимо от температуры окружающей среды. Спектр пропускания корректирующего интерферометра Фабри-Перо, а также принцип корректировки приведен на рис.2.18 Скоректиррованные передаточные характеристики пьезопривода Рис. 2.18.
Спектр пропускания и принцип действия корректирующего интерферометра Динамический диапазон и максимальная частота опроса датчиков могут быть оценены выражением, аналогичным (2.60): ,ьл р 10-1а+ч+ч,)ло у 2 + г 1 ((Р(л) Я(л,)) эк(Я)) Я(л)си 3~ () ° 1 о >,и+ ' (2.70) (1/,и+ Рп) . ЛЛ„ Эла.Ш ФПУ .l где т) н т~2 - суммарные потери излучения при прохождении разветвителей 1 и 2, а- суммарные потери, Рэ„,шипу" удельная мощность эквивалентная шуму (характеристика ФПУ, методика расчета которой аналогична выражению 2.38 ), ЬЛ„- полный рабочий спектральный диапазон, ЬЛ „- шаг перестройки по шале длин волн интерферометра Фабри-Перо, Г- частота опроса датчиков).
Результаты расчета, для данных, аналогичным приведенным в предыдущем разделе (СЛД мощностью Р„=1 мВт, 1'э«.ш.епу=011 пВт/Гц а=10 дБ, т11=6 дБ, т~~=3 дБ Тф„=0,5, ширина 1/2 спектра источника излучения 40 нм по уровню 1/е, разрешения интерферометра ЛЛ „=10 пм, ширины спектра брэгговской решетки по уровню 1/е Ы~р=250 пм, с допущением, что К(Л), р(Л), К(Л)-гауссоиды) показывают, что необходимое время для проведения одного цикла измерений составляет 0,017 с, то есть примерно столько же, как и в предыдущем методе. Результаты проведенных исследований показывают, что 2.3. Методика регистрации информационных сигналов, формируемых волоконно-оптическими брэгговскими датчиками на основе временного мультиплексирования При временном методе мультиплексирования все брэгговские решетки, используемые в датчиках, выполняются с одной резонансной длиной волны и с низким коэффициентом отражения, Разделение сигнала с отражателей осуществляется при помощи рефлектометрических методов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
