Волоконно-оптические поляриметрические датчики физических величин

• Автор: Хлыбов, Артем Владимирович
• Шифр специальности: 01.04.03
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 215 с. : ил.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Двулучепреломляюгцие оптические волокна

1.1.1. Распространение света в анизотропной среде

1.1.2. Типы двулучепреломляющих волокон

1.1.3. Параметры двулучепреломляющих волокон

1.1.4. Методы анализа состояния поляризации света в оптическом волокне

1.2. Фотоупругие эффекты в оптических волокнах

1.2.1. Упругооптический эффект

1.2.2. Чистый изгиб

1.2.3. Изгиб с натяжением

1.2.4. Поперечное давление

1.2.5. Чистое растяжение анизотропного волокна
1.3. Чувствительные элементы волоконных поляриметров
1.3.1. Измерение температуры
1.3.2. Измерение механических деформаций, перемещения вибрации и ускорения
1.3.3. Измерение гидростатического и гидродинамического давления
1.3.4. Измерение магнитного поля и электрического тока
1.4. Выводы по главе
2. ЭНЕРГИЯ ДЕФОРМАЦИИ
2.1. Чистое продольное растяжение
2.2. Изгиб с натяжением
2.3. Чистый изгиб
2.4. Поперечное давление
2.5. Сравнение энергетической эффективности
3. ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЕ МОДУЛЯТОРЫ
3.1. Экспериментальная установка
3.2. Продольное растяжение
ЗА. Чистый изгиб
3.4. Изгиб с натяжением
3.5. Поперечное давление
3.6. Выводы

4. ПОПЕРЕЧНОЕ СЖАТИЕ ВОЛОКНА
4.1. Введение
4.2. Упругооптическая задача о поперечном сжатии световода
4.3. Расчёт методом конечных элементов
4.4. Эксперименты
4.5. Требование к мощности модуляторов
5. ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ВОЛОКОННЫХ
ПОЛЯРИМЕТРОВ
5.1. Принципы измерения вибраций и ускорений
с помощью механических систем
5.2. Поляриметрический виброметр-акселерометр, использующий
продольное растяжение волокна
5.3. Поляриметрический виброметр-акселерометр, использующий
поперечное сдавливание волокна
5.4. Измерение акустического давления с помощью чувствительного
элемента, использующего продольное растяжение волокна
5.5. Акустический чувствительный элемент, использующий
поперечное давление на волокно
6. ДИСТАНЦИОННЫЙ ВОЛОКОННЫЙ
ПОЛЯРИМЕТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК
6.1. Схема поляриметрического датчика
6.2. Фазовый детектор
6.3. Выходной сигнал оптической схемы
6.4. Оптимальный индекс вспомогательной поляризационной модуляции
6.5. Шумы сигнала на выходе ФПУ
7. ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРАВЛЕНИЯ СОБСТВЕННЫХ ОСЕЙ ЛИНЕЙНО ДВУЛУЧЕПРЕЛОМЛЯЮЩЕГО ВОЛОКНА
7.1. Задача определения собственных осей двулучепреломляющего волокна
7.2. Теоретический анализ
7.3. Экспериментальные результаты
7.4. Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

В технически передовых странах мира в последние 20 лет наблюдается бурный рост производства датчиков для самых разнообразных применений. При этом доля волоконных датчиков неизменно повышается и сейчас составляет порядка 7 % от всего объёма промышленных и научных датчиков. Ежегодно увеличивается количество статей, посвящённых новым применениям волоконных датчиков, совершенствуется их конструкция и методы обработки сигналов.
Причины широкого распространения волоконных датчиков в науке и технике связаны с их высокой чувствительностью и многими уникальными свойствами: они компактны, нетребовательны в эксплуатации, они могут превосходно работать в условиях сильных электромагнитных помех, повышенной радиации, высоких температур и давлений и в других неблагоприятных условиях. Следует отметить также то, что сами датчики не являются источником излучения какой-либо энергии, т.е. могут быть пригодны для специальных применений.
Значительную часть ьсех волоконных датчиков составляют так называемые ин-терферометрические, принцип действия которых основывается на сложении полей двух электромагнитных волн. Регистрируемая интенсивность результата их интерференции зависит от разности фаз. В связи с тем, что длина оптических волн чрезвычайно мала, то, измеряя малые фазовые сдвиги специальным оборудованием, можно получить чувствительность к изменению разности хода лучей интерферометра, недостижимую любыми другими методами. В интерферометрических датчиках изменение измеряемой физической величины необходимо преобразовать в разность хода интерферометрических лучей, что осуществляется в чувствительном элементе устройства.
Волоконные интерферометрические датчики подразделяются на два класса: традиционные (двухлучевые) и поляриметрические. В датчиках первого класса регистрируется результат интерференции двух коллинеарных оптических волн, распространяющихся по разным волокнам, при этом одно волокно является опорным, другое, на которое оказывается воздействие, сигнальным. Такой тип датчиков наиболее широко распространён. Он может быть реализован на основе известных интерферометрических схем, например, Майкельсона, Маха-Цендера, Фабри-Перо (низкодобротного), Саньяка и проч.
Схемы волоконных поляриметров отличаются простотой оптической схемы. В них интерферирующие волны совмещены в пространстве и ортогональны по поляризации. В результате воздействия измеряемой физической величины изменяется разность фаз ортогональных поляризационных волн (за счёт изменения суммарного двулучепреломления
где безразмерный коэффициент Q показывает, насколько разность фаз собственных мод, связанная с изменением собственного двулучепреломления, больше, чем разность фаз,
(1.79)
Величину Q можно легко определить
экспериментально. Она
зависит от конкретного типа анизотропного волокна и максимальна для волокон “bow-tie”, достигая значения 20 "г 25.
На рис. 1.17 показан график зависимости длины биений А от величины растяжения AL (при этом AL соответствует разности фаз мод 2л рад), экспериментальные точки соответствуют экспериментам с различными волокнами типа “bow-tie”. Наклон зависимости Л(АL), как легко показать, равен Q. Таким способом можно экспериментально определить Q, ничего не зная о типе двулучепрелом-ляющего волокна и распределении р(г,0). Величина Q также позволяет учесть вклад в изменение двулучепреломления, связанный с неоднородностью распределения модуля Юнга Е(г,в) в поперечном сечении волокна [30].
1.3. Чувствительные элементы волоконных поляриметров
Поляриметрические датчики относятся к классу интерферометрических. Однако, в отличие от «традиционных» (двухлучевых) интерферометрических датчиков, построенных, например, по схеме Майкельсона или Маха-Цендера, где выходной сигнал зависит от разности фаз световых волн, рапространяющихся в двух плечах интерферометра, в поляриметрических датчиках выходной сигнал зависит от состояния поляризации света.
Часто волоконному поляриметру можно прямо сопоставить некоторый эквивалентный двухплечевой интерферометр Маха-Цендера. Тогда два плеча распространения света в интерферометре Маха-Цендера соответствуют двум собственным поляризационвызванная изменением геометрической длины волокна
ДР-А
М-Р
тально и теоретически.