RU2084845C1

RU2084845C1 - Fibre-interference system of pressure measurement

Info

Publication number: RU2084845C1
Application number: RU94042214A
Authority: RU
Inventors: Е.В. Леун; М.С. Коренев
Original assignee: Научно-производственное объединение им.С.А.Лавочкина
Priority date: 1994-11-24
Filing date: 1994-11-24
Publication date: 1997-07-20
Also published as: RU94042214A

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: fibre-interference system of pressure measurement includes radiation source, light guides, sensitive element, directional coupler, recording unit. It is inserted with amplitude-spectral optical radiation modulator connected to radiation source and composed of control device and modulators of spectrum and amplitude connected in series which output is connected to directional coupler. One output of directional coupler is connected to recording unit and the other one to sensitive element through light guide. Sensitive element is laminated structure of optically transparent materials forming holographic filter. Recording unit has photodetector and frequency meter connected in series. EFFECT: diminished dimensions of system increased accuracy and speed of measurements. 5 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к волоконной оптике и интерферометрии, и может быть использовано для создания измерительных преобразователей давления. The invention relates to measuring equipment, namely to fiber optics and interferometry, and can be used to create pressure transmitters.

Известно устройство для измерения давления, позволяющее реализовать способ определения напряжения пленочных материалов на подложке при помощи многолучевой интерференции [1] (аналог). Устройство состоит из лазера, полупрозрачного многослойного диэлектрического зеркала и исследуемого материала, находящегося на подложке. A known device for measuring pressure, which allows to implement a method for determining the voltage of film materials on a substrate using multipath interference [1] (analog). The device consists of a laser, a translucent multilayer dielectric mirror and the test material located on the substrate.

Недостатками устройства является ограничение точности измерений, вследствие сильного влияния вибрации и температуры окружающей среды, а также отсутствие возможности измерений в труднодоступных местах. The disadvantages of the device is the limitation of measurement accuracy due to the strong influence of vibration and ambient temperature, as well as the lack of measurement in hard-to-reach places.

Известна конструкция первичного преобразователя давления, представляющего собой многолучевой интерференционный датчик Фабри-Перро [2] (аналог), в котором имеется последовательно соединенные источник света, первое и второе светопередающее приспособления, между первыми концами которых установлен элемент Фабри-Перро. Каждый первый конец приспособления имеет полупрозрачное покрытие. Элемент Фабри-Перро воспринимает световые сигналы от источника через первое светопередающее приспособление. Размеры зазора в элементе выбраны таким образом, чтобы он был чувствителен к изменению параметра. Спектральные характеристики выходных световых сигналов, прошедших через элемент, соответствуют размерам зазора и, следовательно, измеряемому параметру. The known design of the primary pressure transducer, which is a multi-beam Fabry-Perrot interference sensor [2] (analog), in which there is a series-connected light source, the first and second light-transmitting devices, between the first ends of which a Fabry-Perrot element is installed. Each first end of the device has a translucent coating. The Fabry-Perrot element receives light signals from the source through the first light-transmitting device. The dimensions of the gap in the element are selected so that it is sensitive to a change in the parameter. The spectral characteristics of the output light signals passing through the element correspond to the size of the gap and, therefore, to the measured parameter.

К недостаткам этого изобретения следует отнести недостаточную точность измерений и низкую надежность, вследствие сложности конструкции. Ограничение по точности вызвано двумя причинами. Во-первых, через резонатор проходит расходящийся пучок света, который отфильтровывает дополнительные оптические частоты. Другой причиной является ограничение разрешающей способности процесса пространственной фильтрации, в основном возникающее вследствие конечных размеров элементарной фотоприемной площадки ПЭС-матрицы (матричного фотоприемника). Наличие подвижных частей, требование строгой параллельности торцов резонатора снижают надежность устройства и усложняют его конструкцию. The disadvantages of this invention include insufficient measurement accuracy and low reliability, due to the complexity of the design. The accuracy limit is due to two reasons. Firstly, a diverging beam of light passes through the resonator, which filters out additional optical frequencies. Another reason is the limited resolution of the spatial filtering process, which mainly arises due to the finite dimensions of the elementary photodetector area of the PES matrix (matrix photodetector). The presence of moving parts, the requirement of strict parallelism of the ends of the resonator reduce the reliability of the device and complicate its design.

К настоящему времени уже разработано большое количество датчиков давления. Перспективными среди них являются оптические датчики давления, в частности, световодные датчики давления, реализованные на основе пьезооптического эффекта [3-8]
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является система измерения давления [8] которая содержит пьезооптический датчик давления и оптоэлектронный приемопередающий модуль, выполняющий роль регистрирующего устройства, соединенные между собой волоконно-оптическим кабелем. Датчик состоит из поляризатора, чувствительного элемента, линзы, выполняющей роль направленного ответвителя, мембраны и корпуса. Волоконно-оптический кабель состоит из подводящего и отводящего световодов и соединяется с датчиком оптическим разъемом, расположенным в основании корпуса.To date, a large number of pressure sensors have already been developed. Promising among them are optical pressure sensors, in particular, optical waveguide pressure sensors, implemented on the basis of the piezoelectric effect [3-8]
Closest to the technical nature of the present invention is a pressure measurement system [8] which contains a piezoelectric pressure sensor and an optoelectronic transceiver module that acts as a recording device, interconnected by a fiber optic cable. The sensor consists of a polarizer, a sensitive element, a lens acting as a directional coupler, a membrane and a housing. Fiber optic cable consists of input and output optical fibers and is connected to the sensor by an optical connector located at the base of the housing.

К недостаткам этой системы относятся большие габариты датчика и ограничение разрешающей способности и, как следствие, низкая точность измерений. The disadvantages of this system include the large dimensions of the sensor and the limitation of resolution and, as a result, low measurement accuracy.

Изобретение направлено на достижение технического результата, который заключается в уменьшении габаритов при повышении точности и быстродействия измерений. The invention is aimed at achieving a technical result, which consists in reducing the dimensions while increasing the accuracy and speed of measurements.

Указанный результат достигается тем, что волоконная интерференционная система измерения давления, содержащая источник излучения, световод, чувствительный элемент с нанесенным на него отражательным покрытием, направленный ответвитель, регистрирующее устройство, снабжено соединенным с источником излучения амплитудно-спектральным модулятором оптического излучения, состоящим из устройства управления и последовательно соединенных модулятора спектра и амплитудного модулятора, выход которого, являющийся выходом амплитудно-спектрального модулятора, соединен с направленным ответвителем, один выход которого соединен с регистрирующим устройством, а другой через световод с чувствительным элементом, при этом чувствительный элемент представляет собой слоистую структуру оптически прозрачный материалов, образующую голографический фильтр, а регистрирующее устройство содержит последовательно соединенные фотоприемник и частотомер. This result is achieved by the fact that the fiber interference pressure measuring system containing a radiation source, a light guide, a sensitive element with a reflective coating applied to it, a directional coupler, a recording device, is equipped with an amplitude-spectral optical radiation modulator connected to the radiation source, consisting of a control device and series-connected spectrum modulator and amplitude modulator, the output of which is the output of the amplitude-spectral th modulator, coupled to the directional coupler, one output of which is connected to the recording device, and the other through the light sensing element, the sensing element is a layered structure of an optically transparent material forming a holographic filter, a recording unit comprises a series-connected photoreceiver and frequency.

На фиг.1 представлена структурная схема волоконно-интерференционной системы измерения. Figure 1 presents the structural diagram of a fiber interference measurement system.

На фиг.2 представлена конструкция чувствительного элемента измерительной системы. Figure 2 presents the design of the sensing element of the measuring system.

На фиг.3 изображены функциональные зависимости, поясняющие принцип действия системы измерения давления. Figure 3 shows the functional dependencies explaining the principle of operation of the pressure measurement system.

На фиг. 4 представлены выходные спектральные (фиг.4а) и частотные (фиг. 4б) зависимости волоконно-интерференционной системы измерения давления. In FIG. 4 shows the output spectral (Fig. 4a) and frequency (Fig. 4b) dependences of a fiber-interference pressure measuring system.

На фиг. 5 изображены выходные зависимости от приложенного усилия для голографического фильтра. In FIG. 5 shows the output depending on the applied force for a holographic filter.

Волоконно-интерференционная система измерения давления (фиг.1) содержит источник 1 полихроматического излучения, амплитудно-спектральный модулятор 2, состоящий из устройства 3 управления, модулятора 4 спектра и амплитудного модулятора 5, регистрирующее устройство 6, включающее частотомер 7 и фотоприемник 8, направленный ответвитель 9, световод 10, чувствительный элемент в виде голографического фильтра 11, отражатель 12. The fiber interference pressure measurement system (Fig. 1) contains a polychromatic radiation source 1, an amplitude spectral modulator 2, consisting of a control device 3, a spectrum modulator 4 and an amplitude modulator 5, a recording device 6, including a frequency meter 7 and a photodetector 8, a directional coupler 9, a light guide 10, a sensing element in the form of a holographic filter 11, a reflector 12.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

Оптическое излучение на выходе источника 1 полихроматического излучения поступает на вход амплитудно-спектрального модулятора 2. В этом блоке осуществляется как выделение нужной длины волны (модулятор 4 спектра), так и амплитудная модуляция (амплитудный модулятор 5). Промодулированное по спектру и амплитуде оптического излучения подается на вход направленного ответвителя 9, где по световоду 10 поступает на чувствительный элемент в виде голографического фильтра 11, отразившись от отражателя 12, с помощью световода 10 возвращается в направленный ответвитель 9. В направленном ответвителе 9 определенная часть отраженного оптического излучения направляется на вход фотоприемника 8, где преобразуется в электрический сигнал в виде цифровой последовательности. Частотомер 7 измеряет частоту этого сигнала и в зависимости от значения частоты импульсов пропорционально ему определяется значение приложенного давления. Optical radiation at the output of the polychromatic radiation source 1 is fed to the input of the amplitude-spectral modulator 2. In this block, the desired wavelength (spectrum modulator 4) is isolated as well as amplitude modulation (amplitude modulator 5). Modulated by the spectrum and amplitude of the optical radiation is fed to the input of the directional coupler 9, where through the fiber 10 it enters the sensing element in the form of a holographic filter 11, reflected from the reflector 12, returns to the directional coupler 9 through the fiber 10 in the directional coupler 9. optical radiation is sent to the input of the photodetector 8, where it is converted into an electrical signal in the form of a digital sequence. Frequency meter 7 measures the frequency of this signal and, depending on the value of the pulse frequency, the value of the applied pressure is determined in proportion to it.

Сущность изобретения заключается в следующем. The invention consists in the following.

1. Модулятор 4 спектра выделяет текущую спектральную составляющую (несущую частоту) излучения так, чтобы осуществить сканирование всего спектрального диапазона излучения (λ₁; λ₂) по линейному закону в соответствии с выражением:

где λ₁ начальное значение длины волны;
V_λ скорость измерения длины волны, определяемая как
V_λ= (λ₂- λ₁)/T₁
λ₂ конечное значение длины волны;
T₁ время измерений.1. The spectrum modulator 4 selects the current spectral component (carrier frequency) of the radiation so as to scan the entire spectral range of the radiation (λ ₁ ; λ ₂ ) according to the linear law in accordance with the expression:

where λ _{1 is the} initial value of the wavelength;
V _{λ the} speed of measuring the wavelength, defined as
V _λ = (λ ₂ - λ ₁ ) / T ₁
λ _{2 the} final value of the wavelength;
T ₁ measurement time.

Амплитудный модулятор 5 осуществляет амплитудную модуляцию оптического потока. С помощью устройства управления процесс изменения частоты амплитудной модуляции синхронизируется с процессом изменения длины волны согласно выражению:
f(t) = K₁•λ(t), (2)
где K₁ коэффициент пропорциональности;
K₁ [0,1 50]
Такой алгоритм работы амплитудно-спектрального модулятора означает, что при изменении длины волны излучения в диапазоне [λ₁; λ₂] частота изменяется, соответственно, от f₁ до f₂. В результате каждому значению длины волны света λ₁ соответствует определенное значение частоты f₁.Amplitude modulator 5 provides amplitude modulation of the optical stream. Using the control device, the process of changing the frequency of the amplitude modulation is synchronized with the process of changing the wavelength according to the expression:
f (t) = K ₁ • λ (t), (2)
where K _{1 is the} coefficient of proportionality;
K ₁ [0.1 50]
Such an algorithm for the operation of the amplitude spectral modulator means that when the radiation wavelength changes in the range [λ ₁ ; λ ₂ ] the frequency varies, respectively, from f ₁ to f ₂ . As a result, each value of the wavelength of light λ ₁ corresponds to a certain value of the frequency f ₁ .

2. В данном датчике в качестве чувствительного элемента используется голографический фильтр. Принцип преобразования основан на том, что положение его полосы прозрачности изменяется при приложении к нему внешнего воздействия P в виде сжатия или растяжения. Голографический фильтр может быть выполнен на торце волокна в виде объемной голограммы с периодом структуры (толщины слоев), удовлетворяющим условию оптической разности хода из соотношения:
2п₂(P):d_c= λ, (3)
где п₂(P) показатель преломления голограммы, как функция давления;
d_c толщина диэлектрического слоя;
λ длина волны света.2. This sensor uses a holographic filter as a sensitive element. The conversion principle is based on the fact that the position of its transparency band changes when an external action P is applied to it in the form of compression or tension. The holographic filter can be made at the fiber end in the form of a volume hologram with a period of structure (layer thickness) satisfying the condition of the optical path difference from the relation:
2p ₂ (P): d _c = λ, (3)
where n ₂ (P) is the refractive index of the hologram as a function of pressure;
d _{c is the} thickness of the dielectric layer;
λ wavelength of light.

В результате многократных отражений от слоев с различными показателями преломления в фазе складываются только те лучи, которые удовлетворяют соотношению (3). Внешнее усилие воздействует на величину показателя преломления п₂(P), что приводит к изменению длины волны на выходе голографического фильтра. Другими словами, внешняя нагрузка P приводит к смещению полосы прозрачности фильтра в пределах диапазона
l(P) = K₂•P,
где K₂ коэффициент пропорциональности;
K₂ (0 20) кг/м.As a result of multiple reflections from layers with different refractive indices in the phase, only those rays are added that satisfy relation (3). An external force affects the value of the refractive index n ₂ (P), which leads to a change in the wavelength at the output of the holographic filter. In other words, the external load P causes the filter transparency band to shift within the range
l (P) = K ₂ • P,
where K _{2 is the} coefficient of proportionality;
K ₂ (0 20) kg / m

3. Ранее в п.1 рассмотрен случай с линейно нарастающим, пилообразным законом изменения длины волны (и частоты амплитудной модуляции). В непрерывном, циклическом режиме работы датчика в моменты времени, кратные T (O, T, 2T, 3T, 4T.) в схеме происходит нелинейные процессы перескоков длин волн (λ₂- λ₁) и частотных перескоков (f₂-f₁). Такое свойство схемы ограничивает быстродействие датчика. Для исключения таких нелинейных процессов из процесса измерения предлагается использовать треугольный закон изменения длины волны (частоты) (фиг.3):

Устройство управления формирует на своем электрическом выходе сигнал в виде сигнала треугольного вида. Схематически конструкция этого устройства может представлять собой широко используемые в электронике генераторы линейно изменяющегося напряжения, некоторые схемы которых представлены в [10]
В связи с тем, что амплитудно-спектральный модулятор выполняет основные операции: модуляцию спектра оптического излучения и амплитудную модуляцию, то далее кратко описана техническая реализация этих операций.3. Earlier in Section 1, we consider a case with a linearly increasing, sawtooth law of change in wavelength (and frequency of amplitude modulation). In a continuous, cyclic mode of operation of the sensor at times multiple of T (O, T, 2T, 3T, 4T.), Nonlinear processes of wavelength hopping (λ ₂ - λ ₁ ) and frequency hopping (f ₂ -f ₁ ) occur in the circuit . This property of the circuit limits the speed of the sensor. To exclude such non-linear processes from the measurement process, it is proposed to use the triangular law of changing the wavelength (frequency) (figure 3):

The control device generates a signal in the form of a triangular signal at its electrical output. Schematically, the design of this device can be a linearly varying voltage generators widely used in electronics, some of which are presented in [10]
Due to the fact that the amplitude-spectral modulator performs the basic operations: modulation of the spectrum of optical radiation and amplitude modulation, the technical implementation of these operations is briefly described below.

Модуляция спектра может быть осуществлена, например, использованием перестраиваемых источников оптического излучения (полупроводниковых лазеров, газовых лазеров на красителях и т.д.). В этом случае перестройка длины волны Δλ будет реализована от выходного сигнала устройства управления. The spectrum can be modulated, for example, using tunable optical radiation sources (semiconductor lasers, gas dye lasers, etc.). In this case, the tuning of the wavelength Δλ will be realized from the output signal of the control device.

Амплитудная модуляция оптического излучения может осуществляться различными способами [11-13] Наиболее простым способом амплитудной модуляции оптического излучения является использование электромеханического модулятора на основе вращающего диска с прорезями. Amplitude modulation of optical radiation can be carried out in various ways [11-13] The simplest method for amplitude modulation of optical radiation is the use of an electromechanical modulator based on a rotating disk with slots.

В соответствии с вышесказанным, одним из наиболее удобных способов получения частотной (спектральной) и амплитудной модуляции является использование полупроводникового лазера [14] Эти устройства позволяют совместить оба вида модуляции при одном излучающем источнике и реализовать это на базе малогабаритных электронных устройств. In accordance with the foregoing, one of the most convenient ways to obtain frequency (spectral) and amplitude modulation is the use of a semiconductor laser [14]. These devices allow you to combine both types of modulation with a single emitting source and realize this on the basis of small-sized electronic devices.

Частотомер представляет собой стандартный измерительный прибор для измерения частоты электрических сигналов. Технически конструкция частотомера может быть реализована по одной из известных электронных схем частотомеров [15]
Таким образом, использование такой схемы позволит повысить точность измерений за счет высокой чувствительности голографического фильтра. Выходной сигнал в виде частоты, а следовательно, и цифровой последовательности позволяет улучшить помехоустойчивость датчика. Применение световодов в качестве линии связи позволяет использовать датчик в удаленных местах, а конструкция позволяет сделать его малогабаритным для работы в труднодоступных местах.The frequency meter is a standard measuring instrument for measuring the frequency of electrical signals. Technically, the construction of the frequency meter can be implemented according to one of the known electronic circuits of the frequency meters [15]
Thus, the use of such a scheme will improve the accuracy of measurements due to the high sensitivity of the holographic filter. The output signal in the form of a frequency, and therefore a digital sequence, improves the noise immunity of the sensor. The use of optical fibers as a communication line allows you to use the sensor in remote places, and the design allows you to make it small for work in hard to reach places.

Назначение и область применения датчика могут быть существенно расширены, если в чувствительном элементе использовать специализированные оптически прозрачные материалы. Например, для измерения влажности голограмма изготавливается из гидроскопического фотоматериала, например, на основе желатина. The purpose and scope of the sensor can be significantly expanded if specialized optically transparent materials are used in the sensitive element. For example, to measure moisture, a hologram is made of hydroscopic photographic material, for example, based on gelatin.

В режиме измерения температуры в направлении распространения световой волны целесообразно иметь максимальные площадь поверхности и линейные размеры голограммы. In the temperature measurement mode in the direction of propagation of the light wave, it is advisable to have maximum surface area and linear dimensions of the hologram.

Измерение напряженности электрического поля может быть осуществлено при использовании в качестве покрытий пьезооптических материалов типа кварца. The measurement of electric field strength can be carried out using piezoelectric materials such as quartz as coatings.

Источники информации, используемые при составлении описания:
1. Авт.св. N 297860, МКИ G 01 B 9/02. Способ определения напряжения пленочных материалов на подложке при помощи многолучевой интерференции (аналог).Sources of information used in the preparation of the description:
1. Auto N 297860, MKI G 01 B 9/02. A method for determining the voltage of film materials on a substrate using multipath interference (analogue).

2. Патент США N 4329058, МКИ 356-352. Способ и устройство для многолучевого интерференционного датчика Фабри-Перро (прототип). 2. US patent N 4329058, MKI 356-352. Method and device for a multipath interference sensor Fabry-Perrot (prototype).

3. Шерклифф У. Поляризованынй свет, М. Мир, 1965, с. 125. 3. Sherkliff U. Polarized light, M. Mir, 1965, p. 125.

4. Регель В. Р. Меланхолин Н.М. Жесткий оптический динанометр. Журнал технической физики, 1954, т. 24, N 3, с. 454-459. 4. Regel V. R. Melancholin N. M. Hard optical dinanometer. Journal of Technical Physics, 1954, v. 24, No. 3, p. 454-459.

5. Левшина Е.С. и Новицкий П.В. Электрические измерения физических величин. Л. Атомэнергоиздат, 1983, с. 311-312. 5. Levshina E.S. and Novitsky P.V. Electrical measurements of physical quantities. L. Atomenergoizdat, 1983, p. 311-312.

6. Авт.св. N 1154564, G 01 L 1/24. Пьезооптический измерительный преобразователь. 6. Auto N 1154564, G 01 L 1/24. Piezo-optical measuring transducer.

7. Авт. св. N 1204979 СССР, G 01 L 1/24. Пьезооптический измерительный преобразователь. 7. Auth. St. N 1204979 USSR, G 01 L 1/24. Piezo-optical measuring transducer.

8. Ермохин М. И. Пьезооптический световой датчик давления. Приборы и системы управления, 1991, N 4, с. 27. 8. Ermokhin M. I. Piezo-optical light pressure sensor. Devices and control systems, 1991, N 4, p. 27.

9. Ландсберг Г.С. Оптика, М. 1976, с. 928. 9. Landsberg G.S. Optics, M. 1976, p. 928.

10. Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах, Л. Энергоатомиздат, 1988, с. 284. 10. Gutnikov V.S. Integrated Electronics in Measuring Devices, L. Energoatomizdat, 1988, p. 284.

11. Пространственная модуляция света (А.А. Васильев, Д. Касасент, И.Н. Компанец, И.В. Парфенов, М. Радио и связь, 1987, с. 32, ил. 11. Spatial modulation of light (A. A. Vasiliev, D. Casasent, I. N. Kompanets, I. V. Parfenov, M. Radio and communications, 1987, p. 32, ill.

12. Катыс Г.П. и Кравцов Н.В. Модуляция и отклонение оптического излучения, М. Наука, 1967. 12. Katys G.P. and Kravtsov N.V. Modulation and deviation of optical radiation, M. Nauka, 1967.

13. Мустель Е.Р. и Парыгин В.Н. Методы модуляции и сканирования света, М. Наука, 1970, с. 296. 13. Mustel E.R. and Parygin V.N. Methods of modulation and scanning of light, M. Nauka, 1970, p. 296.

14. Елисеев П.Г. Введение в физику инжекционных лазеров, М. Наука, 1983. 14. Eliseev P.G. Introduction to the physics of injection lasers, M. Nauka, 1983.

15. Автоматические измерения и приборы (аналоговые и цифровые). П.П. Орнатский, 5-е изд. перераб. и доп. Киев, Вища школа, Головное изд-во, 1986, с. 504. 15. Automatic measurements and instruments (analog and digital). P.P. Ornatsky, 5th ed. reslave. and add. Kiev, Vishka school, Head publishing house, 1986, p. 504.

Claims

A fiber pressure measurement interference system comprising a radiation source, a light guide, a sensitive element with a reflective coating applied thereto, a directional coupler, a recording device, characterized in that an amplitude-spectral optical radiation modulator connected to the radiation source is introduced, consisting of a control device and series-connected spectrum modulator and amplitude modulator, the output of which, which is the output of the amplitude-spectral modulator, soy dinene with a directional coupler, one output of which is connected to a recording device, and the other through a fiber with a sensitive element, the sensitive element being a layered structure of optical transparent materials forming a holographic filter, and the recording device contains a photodetector and a frequency meter connected in series.