CC BY
15DOI 10.24412/2308-6920-2021-6-365-366
ОДНОВРЕМЕННОЕ ИЗМЕРЕНИЕ РАСТЯЖЕНИЯ И ИЗГИБА
ПРИ ПОМОЩИ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО МЕЖМОДОВОГО ИНТЕРФЕРОМЕТРА С ОДНОМОДОВЫМ
ПОДКЛЮЧЕНИЕМ
*
Маркварт А.А. , Лиокумович Л.Б., Ушаков Н.А.
Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, г. Санкт-Петербург
E-mail: markvart_aa@spbstu.ru
Волоконно-оптические датчики (ВОД) являются предметом широких исследований благодаря высокой точности, электромагнитной нейтральности, компактным размерам, возможности мультиплексирования и возможности удаленного опроса. Измерение физических воздействий, таких как температура, растяжение, изгиб и других необходимо для различных применений: от мониторинга зданий и сооружений до медицинской диагностики. Однако, для проведения одновременных измерений нескольких физических величин обычно необходимо устанавливать несколько ВОД с разными чувствительностями к измеряемым воздействиям.
Одним из перспективных типов ВОД, который можно применять для одновременных измерений, является датчик, основанный на структуре «одномодовое-многомодовое-одномодовое волокно» (от англ. singlemode-multimode-singlemode) [1]. Чувствительной частью здесь является секция многомодового волокна (ММВ) длиной от нескольких сантиметров до нескольких десятков сантиметров. Эта секция с обеих сторон приваривается к подводящим одномодовым волокнам (ОМВ). Мода ОМВ возбуждает несколько мод в ММВ, которые после прохождения всей длины ММВ возбуждают моду второго ОМВ. Из-за различия между постоянными распространения мод ММВ интенсивность на выходе второго ОМВ зависит от разности оптических путей (РОП) мод и является результатом интерференции мод ММВ. При приложении физического воздействия к чувствительной секции, изменяется РОП мод ММВ, что ведет к изменению интерференционного сигнала датчика. Фактически, такой датчик является вариантом межмодового интерферометра [2], поэтому его можно назвать межмодовым интерферометром с одномодовым подключением (МИОП). Обычно опрос такого датчика производится методом спектральной интерферометрии [3,4]: производится измерение зависимости интенсивности прошедшего через МИОП света от длины волны. В ряде научных работ было показано, что при помощи МИОП можно учесть перекрестную чувствительность датчика к нескольким физическим воздействиям и измерить их одновременно [5-7]. Однако, на данный момент для демодуляции сигнала МИОП используются довольно простые алгоритмы обработки сигналов, такие как отслеживания смещения экстремумов сигнала по длине волны и измерение их полуширины. Это ограничивает возможный динамический диапазон измерений и их разрешающую способность. Поэтому данная работа посвящена применению более эффективного метода обработки сигналов, в частности, дискретного преобразования Фурье (ДПФ) к анализу сигнала МИОП для одновременного измерения растяжения и изгиба.
Для этого был собран МИОП со ступенчатым многомодовым волокном Thorlabs FG050LGA длиной 32 см. С обеих сторон оно было сварено со стандартными одномодовыми патчкордами SMF-28. Опрос МИОП производился при помощи оптического интеррогатора NI PXIe 4844 со спектральным диапазоном 1.51-1.59 мкм (Рис.1а).
Рис.1. Схема опроса МИОП (a); фото экспериментальной установки (b)
№6 2021 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2021» www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru
365
Одна секция МИОП подвергалась растяжению, а вторая - изгибу (Рис.1Ь). Оптические спектры МИОП для трех наборов значений растяжения и кривизны изгиба представлены на Рис.2а. На увеличенных фрагментах оптического спектра на Рис.2а отчетливо видно, что сдвиги по длине волны провалов спектра и изменения их полуширины имеют различный и сложно предсказуемый характер в различных спектральных областях. Поэтому связанные с ними простые методы обработки сигналов ограничены в применении. Вместо них в данной работе предлагается использовать Фурье-анализ оптических спектров.
ДПФ сигнала МИОП может быть интерпретировано как декомпозиция сложного сигнала, образованного интерференцией мод ММВ, в двулучевые интерференционные компоненты с разными РОП. Модули ДПФ для трех наборов значений растяжения и изгиба практически идентичны, один из них представлен на Рис.2Ь.
а 10 2 Е 10'3
-lTio-4
Л-s
1.51
. О ГПЕ, 2.75 m"1
1.52
1.53
1.54 1,55 1,56 wavelength, /¿m
Optical path difference,//m
- — 0.32 ГПЕ, 2.75 ^^--0 me, 2.85
1.57 1.58 1.59
1200
1800
2400
3000
3600
60
Fourier sample
Рис.2. Экспериментальные оптические спектры МИОП (a); их ДПФ (b)
При растяжении ММВ изменения РОП практически пропорциональны РОП мод. Напротив, при изгибе ступенчатого ММВ изменения РОП мод могут не быть пропорциональны РОП. Для того чтобы экспериментально продемонстрировать возможность одновременных измерений МИОП со ступенчатым ММВ при помощи ДПФ, было выбрано два отчетливых максимума модуля ДПФ: отсчеты №55 и №62. Затем был проведен эксперимент, в котором растяжение менялось от 0 ме до 0,32 ме с шагом в 0,08 ме, а кривизна изгиба менялась от 2,75 м-1 до 2,85 м-1 с шагом 0,02 м-1. Итого было получено 30 экспериментальных оптических спектров. Для каждого оптического спектра были рассчитаны фазы 55 и 62 отсчетов ДПФ. Их зависимости от растяжения е и кривизны изгиба р были аппроксимированы уравнениями плоскостей, в котором растяжение и кривизна изгиба выражены в единицах [ме] и [м-1] соответственно
р62 =-18.0707 + 6.6437 х£ + 6.04 хр
р55 =-5.4692 + 5.4025 хе +1.0745 хр ^
Видно, что уравнения в выражениях (1) линейно независимы. Таким образом, мы продемонстрировали возможность одновременного измерения нескольких физических параметров, растяжения и изгиба, при помощи МИОП и Фурье анализа. Преимущества Фурье анализа сигнала МИОП по сравнению с отслеживанием изменений длины волны и полуширины экстремумов заключается, во-первых, большей универсальности, во-вторых в понятном физическом смысле. Такой подход позволит довольно легко рассчитать достижимые чувствительности датчика к изгибу и растяжению при наличии теоретического анализа процессов распространения мод ММВ при его изгибе.
Работа выполнена в рамках Государственного задания на проведение фундаментальных исследований (код темы FSEG-2020-0024).
Литература
1. Kumar A. et al, Opt. Commun. 219, 215-219 (2003)
2. Kotov O.I. et al, J. Opt. Soc. Am. B 35, 1990-1999 (2018)
3. Tripathi S.M, et al, J. Light. Technol. 27, 2348-2356 (2009)
4. Kumar M. et al, Opt. Commun. 312, 222-226 (2014)
5. Silva S. et al, Meas. Sci. Technol. 22, 085201 (2011)
6. Wu Q. et al, IEEE Photonics Technol. Lett. 23, 130-132 (2011)
7. Lu C. et al, J. Light. Technol. 36, 2796-2802 (2018)
366............№6 2021 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2021» www.fotonexpress.ru fotonexpress@mail.ru
