CC BY
130
УДК 621.391.63:681.7.068
А.С. Гублин, асп., (4872) 23-90-71,
gublin@tula.net (Россия, Тула, ТулГУ)
РАСШИРЕНИЕ ДИАПАЗОНА ИЗМЕРЕНИЙ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ СЕНСОРОВ НА ОСНОВЕ ИНТЕРФЕРОМЕТРА ФАБРИ - ПЕРО
Рассмотрены особенности построения и расчета волоконно-оптических сенсорных систем на основе интерферометра Фабри - Перо, а также принципы расширения диапазона измерений.
Ключевые слова: оптическое волокно, измерительная система, интерферометр Фабри - Перо.
Интерференционные волоконно-оптические датчики рассматриваются как наиболее перспективные измерительные устройства для целей метрологии, способные обеспечить наибольшую чувствительность при определении разнообразных физических параметров [1]. Волоконнооптические интерферометры Фабри - Перо являются наиболее распространенными конструктивными элементами, используемыми в фазовых волоконно-измерительных системах. К основным преимуществам чувствительных элементов на основе интерферометра Фабри - Перо относятся конструктивная простота и высокая чувствительность, обеспечиваемая многопроходностью световой волны в резонаторе.
В зависимости от конструкции интерферометра Фабри - Перо выделяют две разновидности волоконно-оптических датчиков данного типа. К первому типу относят датчики с «собственным» интерферометром Фабри - Перо, который состоит из оптического волокна, на торцы которого нанесены зеркальные покрытия (рис. 1, а). Второй тип - датчики со «встроенным» интерферометром Фабри - Перо, в качестве рабочего элемента в данном случае выступает воздушный зазор, ограниченный торцом оптического волокна и отражающем покрытием мембраны, либо другим торцом оптического волокна (рис. 1, б). В зависимости от типа излучения, попадающего на фотоприемник, датчики подразделяются на проходящий (рис. 1, а) и отражающий (рис. 1, б) типы. Для обеспечения наибольшей устойчивости характеристик измерительных волоконно-оптических систем на основе интерферометров Фабри - Перо в их конструкциях используют одномодовые оптические волокна. В качестве зеркальных покрытий используют многослойные диэлектрические покрытия TiO2/SiO2, которые обеспечивают коэффициенты отражения в пределах от 0,3 до 0,9. Кроме
того, зеркала на торцах волокон могут быть выполнены методом термического напыления тонких слоев металлов, например Л§, Аи, А1.
а
Внешнее воздействие
б
Рис. 1. Типовая структурная схема волоконно-оптической измерительной системы на основе «собственного» интерферометра Фабри - Перо проходного типа (а); «встроенного» интерферометра Фабри - Перо отражательного типа (б)
В основе принципа действия волоконно-оптических измерительных систем на основе интерферометра Фабри-Перо лежит изменение интенсивности выходного излучения, вызванное изменением длины резонатора вследствие воздействия измеряемого физического параметра [2]. При изменении длины резонатора происходит изменение соотношения фаз интерферирующих волн оптического излучения, при соотношении фаз, кратном 2п, наступает резонанс. Диапазон фазового вращения может быть выражен так:
2wnll _ Акп^
0:
С
(1)
где w - угловая частота излучения; щ - показатель преломления материала резонатора; I - длина резонатора; с - скорость света; 1 - длина волны излучения.
Частотный интервал, называемый свободной областью спектра, численно равный расстоянию между двумя соседними максимумами резонансной характеристики, определяется из формулы
/г = —. г 2п11
Ширина резонансной кривой, определяемая по уровню 0,5 от максимального значения модуля коэффициента пропускания (отражения), находится по формуле
с 1 - R
А/ _
2п11 ру[я ’
где R - коэффициент отражения зеркал по интенсивности.
Показатель качества (резкость) интерферометра характеризуется зависимостью
р _ / _Кл[Я А/г 1 - R '
На практике чувствительность выходного сигнала к изменению фазы выходного света у интерферометра Фабри - Перо в ^ раз больше, чем у интерферометров других типов.
Коэффициент отражения/пропускания резонатора Фабри - Перо может быть найден с использованием методов теории резонансной угловой фильтрации [3]:
г, _ Г1/- Г1те'^ Г е 1 ¡г1! ^ _ ВцВте ^ 2 1
^ 1т ™ _х с э
1 -ГшГш^е^ ’ т 1 -Г1тГ1т'/'Г'е-6-'
, ? 2КДВ,-
гГ1 _ г/1 + гш - 2 ,8/ _ - ,
К21
где Г1т - коэффициент отражения от т-слойной структуры; Г1/, Гш - модули коэффициентов отражения от соответствующих промежуточных структур; гг/- суммарный фазовый набег в 1-м слое; гл, гш- фазы коэффициентов отражения от соответствующих промежуточных структур; Аг, Ат - коэффициенты прохождения структур; - толщина 1-го слоя
структуры; 8/ - параметр, учитывающий поглощение
На рис. 2 представлены зависимости коэффициента отражения резонатора Фабри - Перо от деформации резонатора, для случая I _ 0,1 м, 1_ 0,9 мкм, R _ 0,3, 0,5, 0,9 соответственно.
Для однозначного определения величины смешения резонатора необходимо использовать часть резонансной характеристики на интервале, равном четверти длины волны оптического излучения, что обусловлено, во-первых, периодичностью коэффициента отражения/пропускания, равной половине длине волны, во-вторых, потерей информации о фазе опти-
ческого излучения при фотодетектировании. Другим фактором, ограничивающим диапазон измерения волоконно-оптического датчика Фабри - Перо, является неравномерность чувствительности в пределах интервала однозначности. Как видно из рис. 2, наибольшая чувствительность
резонатора к изменению длины достигается при высоких значениях коэффициента отражения зеркал, но при этом для устройства характерен минимальный диапазон измерения.
Рис. 2. Резонансная характеристика модуля коэффициента отражения от длины резонатора: 1 - Я = 0,3: 2 - Я =0,5; 3 - Я = 0,9
На сегодняшний день расширение диапазона измерения физического параметра волоконно-оптических измерительных систем на основе интерферометра Фабри - Перо при сохранении высокого уровня чувствительности представляет собой актуальную техническую задачу. В соответствии с соотношением (1) эквивалентные резонансные характеристики коэффициента отражения/пропускания можно получить, изменяя в отдельности длину волны излучения либо размеры резонатора. Современный уровень техники позволяет реализовать плавную перестройку длины волны генерируемого оптического излучения в требуемом интервале. Изменение эквивалентных фазовых соотношений при изменении длины волны оптического излучения, вводимого в резонатор, описывается соотношением
= 2Ь0, (1 +А1)(^1 - X):
где І1- начальное значение длины волны оптического излучения; N1- номер резонанса, соответствующий длине волны; Ь0- начальная длина резонатора; А1 - величина перестройки длины волны; X - изменение номера резонанса при перестройке длины волны, равной А1.
Из соотношения (2) следует, что при осуществлении сканирования длины волны оптического излучения происходит изменение резонансной характеристики в пределах числа резонансов X . При этом данная величина одновременно зависит от длины резонатора и значения длины волны, а также величины диапазона ее перестройки. Указанная взаимосвязь может быть использована для расширения диапазона измерения. Длина резонатора может быть определена, во-первых, по числу резонансов на заданном интервале, для этого следует использовать следующую зависимость:
где Ь - искомая длина резонатора, определяющая значение физического параметра.
Во-вторых, искомая длина резонатора может быть определена из разности длин волн, соответствующих соседним резонансам при осуществлении сканирования по длине волны, по соотношению
где 1N - длина волны, свойственная К-му резонансу; 1 N-m - длина волны, свойственная резонансу с номером N — т, т = 1,2... .
На рис. 3 представлены резонансные характеристики коэффициента отражения, соответствующие длинам резонатора Фабри - Перо Ь = 43.751 т^п и Ь = 105.151т^п соответственно, диапазон сканирования по длине волны оптического излучения составляет 5 % т.е. 1 тах = 1,051 т^п.
На основе изложенного материала автором был разработан алгоритм, реализующий поиск длины резонатора Фабри - Перо в расширенном диапазоне измерений. В указанном алгоритме можно выделить несколько этапов. Первый подготовительный этап заключается в формировании массивов данных, в которые с заданной точностью в реальном масштабе времени записывается информация о длине волны оптического излучения, генерируемого в данный момент, а также соответствующий данной длине волны уровень интенсивности оптического излучения с выхода сенсора Фабри - Перо. Для повышения точности может быть сформирован массив с информацией об интенсивности излучения на выходе лазерного источника.
На втором этапе происходят фильтрация и нормализация данных, а также определение резонансов, их числа, и соответствующих им длин волн оптического излучения.
Ь
(3)
2А1
(4)
б
Рис. 3. Резонансная характеристика коэффициента отражения при сканировании по длине волны для длины резонатора:
а - Ь = 43,751т^п; б - Ь = 105,151 т^п
Третий этап алгоритма включает в себя расчет искомой длины резонатора, который производится с использованием соотношений (3), (4). При этом проводится итерационный поиск искомой величины с уточнением, который состоит из последовательного перебора соседних резонансов, отстоящих друг от друга на число резонансов х, где х = 0,1,2... . Поиск прекращается в случае, если изменение искомой величины на заданном числе соседних итераций не превышает допустимой величины погрешности, либо в случае, когда комбинации резонансов исчерпаны.
Данный алгоритм, а также модель информационно-измерительной системы на основе интерферометра Фабри - Перо были реализованы в среде МайаЬ. На основе результатов моделирования было установлено, что расширение диапазона измерений в сравнении с подобными классически-
ми измерительными системами может составить десятки раз при практически сходных величинах погрешности измерений.
Список литературы
1. Кульчин Ю.Н. Распределенные волоконно-оптические измерительные системы. М.: Физматлит, 2001. 272 с.
2. Макарецкий Е.А. Оптико-электронные измерительные системы. Тула: Изд-во ТулГУ ,2010.100 с.
3. Покровский Ю.А, Соколовский И.И. Прикладная радиооптика. Теория и методы резонансной угловой фильтрации. Киев: Наукова думка, 1986. 220 с.
A. Gublin
Measuring range extending of optical fiber sensors based on Fabry - Perot interferometer
The design and estimation peculiarities of optical fiber measuring systems based on Fabry - Perot interferometer, measuring range extension principles are considered.
Key words: optical fiber, measuring system, Fabry - Perot interferometer.
Получено 28.12.10 г.
УДК 002.53
Н.В. Лобанов, асп., (4872) 35-02-19, kset85@mail.ru (Россия, Тула, ТулГУ)
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НЕРЕЛЯЦИОННЫХ МОДЕЛЕЙ ДАННЫХ В ВЫСОКОНАГРУЖЕННЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ ПРИЛОЖЕНИЯХ
Рассмотрен вопрос использования отличных от реляционной форм представления данных в высоконагруженных информационных приложениях. Представлена модель реализации современной иерархической формы представления данных.
Ключевые слова: логическая модель данных, наборы данных.
Стремительное увеличение объёмов данных, хранимых и обрабатываемых в различных информационных системах, рост числа пользователей информационных приложений и сервисов в сети Интернет порождают проблему эффективного представления информации, обеспечивающего, с одной стороны, быстрый доступ, а с другой — надёжность хранения и целостность данных. Традиционно широко используемая реляционная мо-
314
