Многомодовые и одномодовые датчики Фабри-Перо

Интерферометры Фабри-Перо состоят из двух отражателей, расположенных с каждой стороны оптически прозрачной среды. Подробный обзор теории этих приборов можно найти в работах [29] (Born и Wolf) и [30] (Hernandez). При соответствующем расстоянии между отражателями коэффициента пропускания интерферометра высок. Изменение расстояния приводит к падению коэффициент пропускания. При высокой отражательной способности отражателей коэффициент пропускания очень чувствителен к изменениям длины волны или расстояния между отражателями. В целом эффективность интерферометра часто характеризуют добротностью:

F = 4Д/(1 - R)2,

где R — коэффициент отражения зеркал при отсутствии потерь. Зависимость коэффициента пропускания от расстояния между отражателями для различных значений добротности показана на рис. 6.9. Интерферометры с высокой добротностью полезны, поскольку позволяют точно определить особенности спектра; интерферометры с низкой добротностью допускают линейный режим в широком диапазоне измеряемого параметра без сложных схем с обратной связью.

В датчиках Фабри “Перо с многомодовыми волокнами используются различные источники излучения. Как правило, спектральная ширина источника — основной параметр, имеющий значение и обусловленный выбором конкретной схемы считывания. Замкнутый контур считывания допускает использование интерферометров с высокой добротностью и лазерных источников. В этом примере длина волны лазера сопровождает сдвиг резонанса интерферометра. Белые источники света могут использоваться, если в наличии имеется спектрофотометр или его эквиваленты. Светодиоды наиболее распространены и могут применяться с интерферо

метрами и считывающими устройствами различных конструкций. В некоторых датчиках могут использоваться два источника для уменьшения ошибок, связанных с потерями и неопределенностями в интерферометре

Конструкция датчика Одномодовый

Методы изготовления датчиков различаются в широком диапазоне — от сложной сборки из полированного кварца до осаждения тонкого слоя на конце волокна. Разнообразные конструкции показаны на рис. 6.11 и 6.12. На рис. 6.11 представлены два датчика температуры. Здесь для изменения характеристик интерферометра используется распорка. В схеме на рис. 6.11, а распорка находится в световоде и при изменениях температуры влияет на оптическое расстояние как посредством изменения своей толщины, так и посредством изменения показателя преломления. На рис. 6.11, б показана схема с распоркой, влияющей только на расстояние, благодаря своей способности расширяться.

На рис. 6.12 представлено семейство датчиков Фабри - Перо. Все эти датчики изготовлены с использованием технологии интегральных схем. Обычно габаритный размер датчика составляет 0,5 х 0,5 х 0,2 мм. Датчики, измеряющие давление, температуру и показатель преломления, — все они работают с одной и той же считывающей оптикой и электроникой.

Рис. 6.13. Считывающие устройства датчика: а) детекторная матрица ПЗС; б) дихроичный фильтр и пара фотодиодов

Пример считывателя, состоящего из множества фотодиодов, показан на рис. 6.13, а. Свет от датчика приходит на матрицу фотодиодов, которая обеспечивает непосредственное считывание оптического спектра. Это может быть использовано для определения положения особенностей характеристик интерферометра внутри оптического спектра используемого источника. Считыватель на рис. 6.13, б — это упрощение варианта а. Используются только два приемника, причем на каждый из них падает половина оптического спектра. При соответствующем выборе источника и оптических свойств датчика это простое устройство может обеспечить надежное считывание в линейном режиме.

В одномодовых датчиках Фабри - Перо, как правило, используются ла- зерные источники, а измерительный интерферометр может быть сформирован внутри самого волокна. Большая длина когерентности лазерного источника делает допустимой некоторую гибкость дизайна, невозможную в случае многомодовых интерферометрических датчиков; однако в целом одномодовые системы конструировать сложнее. На рис. 6.14 представлены два варианта датчиков, описанных в литературе. В устройстве рис. 6.14, а используются объемные оптические компоненты и тонкая полимерная мембрана, воспринимающая звук в воздухе. Для сравнения на рис. 6.14, б показан интерферометр, который образован отрезком одномодового волокна. Рефлекторы встраиваются в виде тонких пленок напыления или вместо этого используется френелевское отражение [37, 38]. В этом внутриволоконном интерферометре для измерения температуры используются эффекты, впервые описанные Хоккером (Hocker) [21].

Рис. 6.14. Одномодовые интерферометры: а) датчик давления с внешним чувствительным элементом (из [40]); б) волоконный датчик температуры (из [37])

Варианты считывающих устройств для одномодовых датчиков

Применяются как простые считыватели интенсивности [37, 40, 41], так и более ложные установки, использующие интерферометр Майкельсона [42]. Применяются различные системы сервопривода, например, одна из них показана на рис. 6.15 [38, 43]. В этом считывателе длина волны лазера охватывает серию резонансов датчика, фиксируемых в отраженном свете сигнальным фотодиодом. В результате считыватель достигает гибкости спектрофотометра при намного меньшей сложности.

Рис. 6.15. Считыватель с замкнутым контуром одномодового волоконного датчика Фабри - Перо, в котором используется интерферометр с высокой добротностью, сформированный в волокне (из [38])

В системах считывания объемных интерферометров можно использовать датчики, длина которых несколько больше, чем длина когерентности лазера. Это позволяет формировать множество датчиков различной длины в одном и том же волокне и мультиплексировать считывателем интерферометра. Характерные особенности волокон можно использовать для одновременной регистрации двух поляризаций [44, 45] в приложениях, использующих волокна, поддерживающие поляризацию. Такие волокна позволяют одновременно производить измерения двух связанных параметров, таких как механическое напряжение и температура.

38. Волоконно-оптические датчики. Измерение температуры.

Для измерения температуры в промышленных условиях разработано множество методов на основе оптических волокон, и некоторые датчики выпускаются серийно. Представители компании «Вестингауз» (Westinghouse) продемонстрировали распределенные измерения температуры в ядерных реакторах и измерили температуру выхлопного газа двигателя, анализируя спектр лучеиспускания абсолютно черного тела, излучаемого оптическим волокном, расположенном в горячей точке. Зависимость спектральной излучательной способности абсолютно черного тела от температуры показана на рис. 13.2. Отметим, что при возрастании температуры излучение при данной длине волны так же возрастает. Этот метод реализован в компании Accufiber Inc. на основе работ Дилса и серийно выпускаются датчики для измерения температуры выхлопного газа реактивных двигателей вплоть до 1900гр. Высокоточные измерения температуры до 300гр. Так же могут быть выполнены в работающих реакторах.

Рис. 13.2. Спектральная излучательная способность абсолютно черного тела при различных температурах [13]

Рис. 13.3. Схема датчика компании Accufiber на основе сапфирового черного тела и оптический анализатор

Датчик компании Accufiber включает в себя тонкий сапфировый стержень (см. рис. 13.3). Измерительный конец стержня покрыт тугоплавким металлом. Другой конец стержня подсоединен к низкотемпературному оптическому волокну за пределами высокотемпературной зоны измерений. Лучистая энергия от раскаленного металлического покрытия проводится по сапфировому стержню и низкотемпературному оптическому волокну к блоку анализа и отображения. Покрытый металлом кончик волокна представляет собой черное тело, спектр излучения которого зависит от температуры в соответствии с законом излучения Планка.

Анализ узкой полосы спектра излучения, выходящего из низкотемпературного волокна, выполняется при помощи оптического интерференционного фильтра и фотодетектора, преобразующего энергию излучения в электрическую энергию.

Рис. 13.4. Схема кончика волокна с люминофорным покрытием, используемого Luxtron в качестве волоконно-оптического датчика температуры

Дистанционные измерения температуры при температурах ниже 400 °С могут быть выполнены при помощи спектрально-селективных методов, используемых несколькими компаниями в серийно выпускаемых устройствах. Такие методы не чувствительны к изменениям излучения черного тела, но скорее регистрируют на вызванные температурой изменения флуоресценции или спектров поглощения определенных специальных веществ. В выпускаемой в настоящее время системе Luxtron светящийся люминофор размещен на кончике оптического волокна в зоне измерения (см. рис. 13.4). Импульсы оптического возбуждения вызывают свечение люминофора (рис. 13.5), и время, за которое угасает свечение, зависит от температуры. Измеряется время т, за которое люминесцентный сигнал S1 спадает в е раз по сравнению с его первоначальной величиной. Температура получается из калибровочной кривой зависимости времени угасания т от температуры (рис. 13.6). В другой системе измерения температуры компании MetriCor для двух длин волн отслеживается сдвиг края полосы поглощения в полупроводниковом материале в зависимости от температуры.

Рис. 13.5. График угасания интенсивности флуоресценции с течением времени в люминофоре Luxtron после импульса оптического возбуждения. Температура люминофора неизвестна