eng
Выпуск #6/2014
Г. Буймистрюк, В. Николаев, М. Базлов
Сенсорные приборы на внутри-световодном эффекте Допплера
Сенсорные приборы на внутри-световодном эффекте Допплера
Просмотры: 5871
Рассмотрены принципы построения волоконно-оптического допплеровского виброакустического датчика. Приведены его технические характеристики и преимущества перед датчиками на волоконно- оптических интерферометрах и дифракционных решетках.
Теги: acoustooptical heterodyne doppler effect optical fiber optical fiber sensor vibro-acoustic structure monitoring акустооптический гетеродин виброакустический мониторинг конструкций волоконно-оптический датчик оптическое волокно эффект допплера
Принцип работы волоконно-оптического допплеровского элемента (ВОДЭ) основан на недавно обнаруженном внутрисветоводном эффекте Допплера. Его суть состоит в том, что частота световой волны f0 лазерного излучения, прошедшего через изогнутое оптическое волокно длиной L, смещается (при воздействии акустического давления, волокно движется или вибрирует со скоростью dL/dt) в спиральном волоконном допплеровском элементе (рис.1) на величину fD:
,
где n – показатель преломления оптоволокна; – длина волны света в волокне. В отличие от интерференционных виброакустических датчиков (Фабри-Перо, Маха-Цендера, Майкельсона и Саньяка), в которых анализируется изменение фазы оптического сигнала, в виброакустических датчиках Допплера анализируется изменение частоты оптического сигнала. Феноменальным результатом частотного анализа оптического сигнала при виброакустическом воздействии на прямое (рис.2а) и изогнутое оптическое волокно (рис.2б) стало появление допплеровского сдвига частоты только в изогнутом волокне [1].
Допплеровский сдвиг оптической частоты в спиральном волоконном элементе, вызванный деформациями (движениями) εх и εу, определяется как
,
где Rа, Da – средний радиус и диаметр волоконного кольца; N –число витков волокна; nэ – эквивалентный показатель преломления.
Спиральный ВОДЭ не обладает направленной чувствительностью. И это определяет его важное преимущество перед датчиками на дифракционных решетках Брэгга. Брэгговские волоконные датчики имеют пространственно-селективную чувствительность – они не чувствуют колебаний, направленных перпендикулярно оси решетки Брэгга.
Вместе с тем, при необходимости придания ВОДЭ соответствующей диаграммы направленности (селективной чувствительности) он может быть изготовлен U-образной или продолговато-эллиптической формы (рис.3). Пример спирального ВОДЭ приведен на рис.4. Для таких конфигураций, в соответствии с рис.3, допплеровская частота определяется:
,
где l – длина продолговатого участка сенсора. Главный недостаток интерференционных волоконно-оптических датчиков состоит в том, что необходима система управления фазой сигнала для поддержания оптимальной чувствительности.
Подчеркнем, что частотный выходной сигнал ВОДЭ не зависит от температуры – главного источника нестабильности и погрешности в интерференционных и дифракционных датчиках.
Принцип работы частотного ВОДЭ при виброакустическом воздействии – в отличие от частотной волоконной дифракционной решетки Брэгга – в прямом преобразовании темпа деформаций в допплеровский сдвиг частоты. В частности, ВОДЭ измеряет темпы деформации в x и y направлениях, поэтому его чувствительность выше, чем у решетки Брэгга.
Функциональная схема датчика акустической эмиссии на внутрисветоводном эффекте Допплера приведена на рис.5. Частота доплеровского сдвига fD (например, 0,1 Гц – 1 МГц) выделяется из оптического сигнала с помощью акустооптического гетеродина, сдвигающего f0 на постоянную величину модуляции fM (например, 80 МГц), формирования биений с частотой fM + fD, оптоэлектронного преобразования в фотоприемном устройстве и преобразования девиации частоты fD в выходной сигнал Uвых в частотном детекторе [2].
ВОДЭ имеет очень высокую виброакустическую чувствительность. Достижимое на сегодняшний день разрешение деформации составляет 10–11 относительного удлинения волокна (~10–5 млн–1) в экстремально широком диапазоне частот от 0,1 Гц до 10 МГц. Полученный результат – эффект от реализации принципа лазерного допплеровского измерения скорости (ЛДИС) микро-смещений оптического волокна. Деформации (удлинения – сжатия) волокна мы отдельно измеряли с помощью высокоточных ЛДИС (разрешение ≤ 10–7 мкм/В), типа "Vibroducer-1002" фирмы "Melectro".
Процедуру по оценке чувствительности проводили следующим образом. Напряжение, подаваемое на пьезоэлектрический излучатель (например, от генератора Г3–123), изменяли на соответствующей тестовой частоте так, что выходной сигнал ЧД изменялся в диапазоне от 0 до Umax. В частности, напряжению Umax на частоте 100 кГц соответствовала деформация волокна в 100 мкм. Затем мощность акустического сигнала снижали до минимальной, регистрируемой по выходу ЧД величины, которая соответствовала 10–5 мкм. Таким образом, полный динамический диапазон D на частоте 100 кГц составил величину по напряжению D100 кГц = 20 lg [102/10–5] = 140 дБ. Аналогично, на
частоте 1 кГц измеренная пороговая деформация равна 10–6 мкм, D1 кГц = 160 дБ.
Однако многокомпонентная и точная механическая конструкция демодулятора широкополосных акустических сигналов на традиционном ЛДИС с объемным акустооптическим сдвигателем частоты на монокристалле TeO2 – относительно дорогое устройство. К тому же, она обладает значительными габаритами и содержит ряд источников нестабильности сигнала, в силу обладания совокупностью нескольких оптических и электрических преобразований.
Внутрисветоводный способ обработки на микросужении
Необходимое микросужение оптического волокна (см. рис.4) получаем с помощью лазерного формообразования [3]. Акустооптический сдвигатель частоты – ключевой элемент акустооптического гетеродина (АОГ) – реализуется на внутриволоконном взаимодействии вытекающих оптических мод (рис.6): между модой основного излучения ЛД c частотой f0 и модой, модулированной частотой fм. Оно осуществляется с помощью конусного пьезопреобразователя (1) в микросужении оптического волокна. Взаимодействие оптических мод происходит на участке оптического волокна (2) с поперечным размером около 10 мкм.
Частота оптического излучения в выходном волокне (3) f0 – fм сдвинута на величину частоты модуляции fм, например, на 40 МГц. Очевидные достоинства такого акустооптического гетеродина: компактность, отсутствие юстируемых оптических коллиматоров ввода-вывода излучения, повышенное отношение сигнал/шум. Типичный отклик и спектр Фурье допплеровского ВОДЭ акустической эмиссии при внутреннем расслаивании трубчатой композитной конструкции показан на рис.7.
Экспериментальные работы по исследованию термостойких и радиационно стойких ВОДЭ акустической эмиссии для металлических и композитных конструкций для разных отраслей промышленности находятся в стадии интенсивных исследований. Их результаты, благодаря высокой чувствительности виброакустических допплеровских датчиков, несомненно, будут интересны многим специалистам-технологам.
ЛИТЕРАТУРА
1.Kageyama K., Murayama H., Uzawa K. Doppler effect in flexible and expandable light waveguide and fiber optic vibration/acoustic sensor. – J. Lightwave Technology, 2006. № 4.
2.Buymistryuk G. Experience of developments and applications of intelligent optical fiber sensors. – Proc. SPIE, 2012, v. 8351, APOS Int. Conf., Sydney, Australia.
3.Буймистрюк Г., Николаев В. Новые принципы и технологические возможности построения волоконно-оптических гидроакустических датчиков и антенн. – Труды XI Всерос. конф. "Прикл. технологии гидроакустики и гидрофизики", 2012, С-Пб.
,
где n – показатель преломления оптоволокна; – длина волны света в волокне. В отличие от интерференционных виброакустических датчиков (Фабри-Перо, Маха-Цендера, Майкельсона и Саньяка), в которых анализируется изменение фазы оптического сигнала, в виброакустических датчиках Допплера анализируется изменение частоты оптического сигнала. Феноменальным результатом частотного анализа оптического сигнала при виброакустическом воздействии на прямое (рис.2а) и изогнутое оптическое волокно (рис.2б) стало появление допплеровского сдвига частоты только в изогнутом волокне [1].
Допплеровский сдвиг оптической частоты в спиральном волоконном элементе, вызванный деформациями (движениями) εх и εу, определяется как
,
где Rа, Da – средний радиус и диаметр волоконного кольца; N –число витков волокна; nэ – эквивалентный показатель преломления.
Спиральный ВОДЭ не обладает направленной чувствительностью. И это определяет его важное преимущество перед датчиками на дифракционных решетках Брэгга. Брэгговские волоконные датчики имеют пространственно-селективную чувствительность – они не чувствуют колебаний, направленных перпендикулярно оси решетки Брэгга.
Вместе с тем, при необходимости придания ВОДЭ соответствующей диаграммы направленности (селективной чувствительности) он может быть изготовлен U-образной или продолговато-эллиптической формы (рис.3). Пример спирального ВОДЭ приведен на рис.4. Для таких конфигураций, в соответствии с рис.3, допплеровская частота определяется:
,
где l – длина продолговатого участка сенсора. Главный недостаток интерференционных волоконно-оптических датчиков состоит в том, что необходима система управления фазой сигнала для поддержания оптимальной чувствительности.
Подчеркнем, что частотный выходной сигнал ВОДЭ не зависит от температуры – главного источника нестабильности и погрешности в интерференционных и дифракционных датчиках.
Принцип работы частотного ВОДЭ при виброакустическом воздействии – в отличие от частотной волоконной дифракционной решетки Брэгга – в прямом преобразовании темпа деформаций в допплеровский сдвиг частоты. В частности, ВОДЭ измеряет темпы деформации в x и y направлениях, поэтому его чувствительность выше, чем у решетки Брэгга.
Функциональная схема датчика акустической эмиссии на внутрисветоводном эффекте Допплера приведена на рис.5. Частота доплеровского сдвига fD (например, 0,1 Гц – 1 МГц) выделяется из оптического сигнала с помощью акустооптического гетеродина, сдвигающего f0 на постоянную величину модуляции fM (например, 80 МГц), формирования биений с частотой fM + fD, оптоэлектронного преобразования в фотоприемном устройстве и преобразования девиации частоты fD в выходной сигнал Uвых в частотном детекторе [2].
ВОДЭ имеет очень высокую виброакустическую чувствительность. Достижимое на сегодняшний день разрешение деформации составляет 10–11 относительного удлинения волокна (~10–5 млн–1) в экстремально широком диапазоне частот от 0,1 Гц до 10 МГц. Полученный результат – эффект от реализации принципа лазерного допплеровского измерения скорости (ЛДИС) микро-смещений оптического волокна. Деформации (удлинения – сжатия) волокна мы отдельно измеряли с помощью высокоточных ЛДИС (разрешение ≤ 10–7 мкм/В), типа "Vibroducer-1002" фирмы "Melectro".
Процедуру по оценке чувствительности проводили следующим образом. Напряжение, подаваемое на пьезоэлектрический излучатель (например, от генератора Г3–123), изменяли на соответствующей тестовой частоте так, что выходной сигнал ЧД изменялся в диапазоне от 0 до Umax. В частности, напряжению Umax на частоте 100 кГц соответствовала деформация волокна в 100 мкм. Затем мощность акустического сигнала снижали до минимальной, регистрируемой по выходу ЧД величины, которая соответствовала 10–5 мкм. Таким образом, полный динамический диапазон D на частоте 100 кГц составил величину по напряжению D100 кГц = 20 lg [102/10–5] = 140 дБ. Аналогично, на
частоте 1 кГц измеренная пороговая деформация равна 10–6 мкм, D1 кГц = 160 дБ.
Однако многокомпонентная и точная механическая конструкция демодулятора широкополосных акустических сигналов на традиционном ЛДИС с объемным акустооптическим сдвигателем частоты на монокристалле TeO2 – относительно дорогое устройство. К тому же, она обладает значительными габаритами и содержит ряд источников нестабильности сигнала, в силу обладания совокупностью нескольких оптических и электрических преобразований.
Внутрисветоводный способ обработки на микросужении
Необходимое микросужение оптического волокна (см. рис.4) получаем с помощью лазерного формообразования [3]. Акустооптический сдвигатель частоты – ключевой элемент акустооптического гетеродина (АОГ) – реализуется на внутриволоконном взаимодействии вытекающих оптических мод (рис.6): между модой основного излучения ЛД c частотой f0 и модой, модулированной частотой fм. Оно осуществляется с помощью конусного пьезопреобразователя (1) в микросужении оптического волокна. Взаимодействие оптических мод происходит на участке оптического волокна (2) с поперечным размером около 10 мкм.
Частота оптического излучения в выходном волокне (3) f0 – fм сдвинута на величину частоты модуляции fм, например, на 40 МГц. Очевидные достоинства такого акустооптического гетеродина: компактность, отсутствие юстируемых оптических коллиматоров ввода-вывода излучения, повышенное отношение сигнал/шум. Типичный отклик и спектр Фурье допплеровского ВОДЭ акустической эмиссии при внутреннем расслаивании трубчатой композитной конструкции показан на рис.7.
Экспериментальные работы по исследованию термостойких и радиационно стойких ВОДЭ акустической эмиссии для металлических и композитных конструкций для разных отраслей промышленности находятся в стадии интенсивных исследований. Их результаты, благодаря высокой чувствительности виброакустических допплеровских датчиков, несомненно, будут интересны многим специалистам-технологам.
ЛИТЕРАТУРА
1.Kageyama K., Murayama H., Uzawa K. Doppler effect in flexible and expandable light waveguide and fiber optic vibration/acoustic sensor. – J. Lightwave Technology, 2006. № 4.
2.Buymistryuk G. Experience of developments and applications of intelligent optical fiber sensors. – Proc. SPIE, 2012, v. 8351, APOS Int. Conf., Sydney, Australia.
3.Буймистрюк Г., Николаев В. Новые принципы и технологические возможности построения волоконно-оптических гидроакустических датчиков и антенн. – Труды XI Всерос. конф. "Прикл. технологии гидроакустики и гидрофизики", 2012, С-Пб.
Отзывы читателей
