Амплитудные ВОД (ВОД с модуляцией интенсивности)

Волоконно-оптические датчики данного типа можно разделить на два класса: отражательные и проходные. С точки зрения функциональных особенностей разработаны датчики с оптическим преобразователем на конце волокна и датчики, в которых оптическое волокно используется только в качестве зонда, подводящего и отводящего оптическое излучение от исследуемого объекта.

Примером первого типа являются датчики температуры с закрепленной на торце волокна пленкой полупроводникового материала с зеркалом, поглощение света в которой изменяется от температуры; датчики давления, перемещения, температуры на основе закрепленной на торце волокна мембраны. Примером второго типа являются датчики для наблюдения фотолюминесценции или отражательной способности какого-либо объекта. С конструктивной точки зрения ВОД отражательного типа могут быть выполнены как одноволоконные с разветвителем, так и двухволоконные, а также на основе жгута оптических волокон.

Основной проблемой при создании амплитудных ВОД всех типов является проблема низкочастотных дрейфов сигналов. Для их исключения, как правило, применяются двухканальные оптические схемы и разрабатываются соответствующие электронные системы обработки сигналов. Такая схема изображена на рис. 3.2. Здесь использован метод временного разделения сигналов измерительного и опорного каналов, который позволил существенно повысить точность измерений по сравнению со случаем, когда сравниваются только амплитуды измерительного и опорного каналов [35]. Волоконно-оптический датчик имеет два волоконно-оптических канала разной длины. На торце волокна опорного канала размещается глухое зеркало, на конце измерительного канала – чувствительный элемент или преобразователь.

При модуляции излучения, например, последовательностью прямоугольных импульсов и в случае отсутствия сигнала с чувствительного элемента (отсутствие внешнего воздействия) на фотоприемнике регистрируется та же самая последовательность импульсов с некоторым затуханием. В случае появления сигнала с преобразователя характер сигнала на фотоприемнике меняется, между контрольными импульсами появляются сигнальные. Это происходит вследствие различных длин волокон в каналах, обеспечивающих временной сдвиг.

Путем обработки и сравнения спектров полученных сигналов вычисляется величина внешнего воздействия.

В данной оптической схеме могут применяться различные чувствительные элементы или преобразователи.

Большой класс датчиков основан на измерении расстояний от торца выходного волокна до зеркала, которое движется под действием внешних воздействий, например, давления, температуры и т.д. Таким образом, осуществляется преобразование измеряемой величины в перемещение. Схема оптической головки показана на рис. 3.3. Мощность отраженного от зеркала излучения зависит от расстояния зеркала до торца волокна Z, а степень этой зависимости определяется числовой апертурой NA и диаметром световедущей жилы волокна 2а.

Для одноволоконного датчика, выполненного на стандартном многомодовом волокне с диаметром световедущей жилы 2а=50 мкм, диапазон измерений перемещений составил примерно 0…400 мкм с погрешностью ±0,3 мкм. Значение погрешности определяется в основном нестабильностями оптической схемы датчика. Очевидно, что если выбирать разные типы волокон или даже жгуты, то можно довольно в широких пределах изменять диапазон работы датчика.

На этом принципе предложено большое число вариантов датчиков перемещений, давления акустических колебаний, температуры.

В ВОД проходного типа для модуляции амплитуды световой волны могут быть использованы как внешние чувствительные элементы (преобразователи), располагающиеся в разрывах волоконно-оптического тракта, так и сами отрезки оптического волокна, в которых модуляция происходит за счет изменяющихся условий распространения света в волокне.

В качестве внешних чувствительных элементов наиболее часто используются мембраны и другие упругие элементы, на которых устанавливаются штоки или решетки, перекрывающие световые потоки. В основе всех этих ВОД лежит механический принцип смещения того или иного оптического элемента (решетки, шторки, зеркала, торца волокна) в результате внешних воздействий. На этом принципе созданы ВОД для измерения давления, акустических колебаний, вибраций и ускорения.

Достаточно технологичными и применяемыми являются ВОД, принцип действия которых основан на амплитудной модуляции света вследствие малых угловых или линейных смещений концов одного относительно другого. Наиболее распространенными из них являются волоконно-оптические виброметры ли акселерометры. Они выполняются с применением кремниевой технологии. В кремниевой пластине вытравливаются
V-образные канавки, в которые укладываются волокна одно против другого. По одному волокну передается излучение от источника, второе волокно подключено к фотоприемнику. При возникновении вибраций или ускорений свободный конец волокна смещается относительно зафиксированного, вследствие чего изменяется интенсивность света, попадающего в приемное волокно. При этом одно волокно фиксируется жестко, а конец другого волокна свободен на заданную длину. Для повышения точности и чувствительности применяется дифференциальная оптическая схема, когда с приемной стороны зафиксированы два волокна, а конец передающего волокна свободен. На рис. 3.4 представлен чувствительный элемент волоконного акселерометра.

В акселерометрах и виброметрах шторочного типа в разрыве между зафиксированными оптическими волокнами с формирующими поток излучения линзами располагается упругая масса со шторкой, перекрывающей световой поток.

Пределы измеряемых ускорений таких датчиков составляют 1 м/с²…400 м/с² на частотах от единиц герц до 1 кГц.

Значительная часть ВОД с модуляцией интенсивности основана на изменении оптических потерь в волокне или во внешних чувствительных элементах в результате контролируемых воздействий. На этом принципе разработаны ВОД температуры, коэффициента преломления жидкости, уровня жидкости, деформаций и давления, скорости потока жидкости. Если на определенном участке оптического волокна удалить оболочку и оголить световедущую жилу, которую затем поместить в жидкость, коэффициент преломления которой является функцией температуры, то вследствие изменения коэффициента преломления будет изменяться критический угол и апертура волокна, что приведет к увеличению потерь в данном отрезке.

Впоследствии вместо жидкой оболочки был применен полимер – СИЭЛ (силиконовая резина), который позволил реализовать датчики температуры криогенных жидкостей.

Температурная зависимость сдвига края зоны собственного поглощения в полупроводниках так же широко используется для создания ВОД температуры. В качестве чувствительных элементов здесь применяются такие полупроводники как GaAs, CdTe, Si.

Известно, что с ростом температуры граничная длина волны спектра поглощения полупроводника, например, для GaAs сдвигается в длинноволновую область на величину, равную 0,03 мкм/К.

Если источник излучения имеет спектр, лежащий в окрестности края зоны, то интенсивность проходящего через него света будет сильно зависеть от температуры. На этом принципе созданы датчики как проходного, так и отражательного типов. Наиболее широкое применение получила такая пара, в которой в качестве термочувствительного элемента используется GaAs, а источником излучения является светодиод на основе соединения AlGaAs.

Для ВОД проходного типа пластина GaAs устанавливается в разрыве оптического волокна, а для отражательного крепиться на конце волокна и на внешней ее стороне напыляется зеркало.

Для получения хорошей стабильности и чувствительности применяется двухканальная схема или схема со светодиодами, работающими на двух длинах волн: измерительной и опорной.

Реализованные точности измерений составляют ±0,5°С в диапазоне температур 0…300°С.

Эффект зависимости спектра флюоресценции соединения с редкоземельными ионами [(Gd_xEu_1–x)₂O₂S] от температуры используется для создания флуоресцентных ВОД температуры. Такие ВОД имеют конструкцию «зонда» отражательного типа. Для возбуждения флюоресценции с помощью волокна к чувствительному элементу подводиться ультрафиолетовое излучение. По этому же волокну передается флуоресцентное излучение, спектр которого анализируется. Область измерения температуры таким датчиком составляет от минус 50 до плюс 200°С, погрешность ±0,1°С.

Амплитудным ВОД физических величин присущ общий недостаток, заключающийся в слабой устойчивости измерительной информации к дестабилизирующим воздействиям. Колебания интенсивности излучения, вызванные изменениями мощности излучателя, чувствительности фотоприемника или потерь подводящих световодов, воспринимаются как полезный сигнал. Так, например, изменение температуры окружающей среды приводит к изменению характеристик практически всех элементов ВОД.

Изменяется эффективность полупроводниковых источников излучения (даже при температурной компенсации, основанной на оптической обратной связи, нестабильность составляет примерно 0,15 %/10 К, что в диапазоне температур минус 60…плюс 85°С приводит к 2…3% дополнительной погрешности); квантовая эффективность фотоприемников для р – i – n-диодов и лавинных фотодиодов примерно (1…3)%; оптические потери в пассивных элементах ВОД: соединительных световодах, разъемах, ответвителях (до 10%).

Существенно влияют на характеристики элементов ВОД механические воздействия, вызванные вибрациями, ударами, колебаниями давления и т.д. Так механические напряжения в кристаллах и элементах конструкций полупроводниковых излучателей приводят к нестабильности мощности излучения примерно 0,8…5%.

Возникающие изгибы и микроизгибы световодов приводят к изменению потерь в них 1…10%.

К дополнительным погрешностям измерений амплитудных ВОД приводят колебания модового состава излучения (при использовании многомодовых световодов), вызванные воздействием на элементы ВОД (влажность и запыленность окружающей среды, радиационное воздействие).

Поэтому для улучшения характеристик амплитудные ВОД строят по дифференциальным схемам. Однако даже такие меры не позволяют получить погрешность измерений менее 0,1% и динамический диапазон порядка 10⁴.

К достоинству амплитудных ВОД можно отнести миниатюрность чувствительного элемента и удобство преобразования измеряемых воздействий.