RU2100913C1

RU2100913C1 - Fiber-optical vibration transducer

Info

Publication number: RU2100913C1
Application number: RU94004056A
Authority: RU
Inventors: Ю.Н. Власов; В.К. Маслов; С.В. Сильвестров
Priority date: 1994-02-03
Filing date: 1994-02-03
Publication date: 1997-12-27

Abstract

FIELD: instruments which measure characteristics of acoustic waves. SUBSTANCE: device has two-wave coherent light source which output is connected to two-wave optical switch with control unit, first and second single-mode optical fibers, first light reflector for two waves, second light reflector for single wave, optical splitter and photodetector which are connected to provide Michelson interferometer. Semi-transparent reflector is provided inside first single-mode fiber. It serves as object arm of interferometer. Phase- shifting unit is provided in second single-mode fiber. In addition device has electronic processing circuit. EFFECT: increased functional capabilities. 3 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к контрольно-измерительной и испытательной технике и может быть использовано для контроля и измерения параметров вибраций и звуковых волн, например, в области гидроакустики. The invention relates to measuring and testing equipment and can be used to control and measure the parameters of vibrations and sound waves, for example, in the field of hydroacoustics.

Прототипом изобретения является волоконно-оптический преобразователь упругих колебаний, содержащий источник когерентного света, первое и второе одномодовые оптические волокна, первый и второй светоотражатели, сформированные соответственно на торцах первого и второго оптических волокон, оптический ответвитель и фотоприемник, оптически связанные в интерферометр Майкельсона, первое одномодовое оптическое волокно которого является предметным, а второе опорным его плечами, а также фазосдвигающее устройство, установленное во втором одномодовом оптическом волокне, усилитель, регистратор и блок обратной связи, выполненный в виде интегратора, компаратора и источника опорного сигнала, при этом выход фотоприемника через усилитель подключен параллельно к регистратору и интегратору, выход интегратора соединен с первым входом компаратора, второй вход которого подключен к источнику опорного сигнала. The prototype of the invention is a fiber-optic converter of elastic vibrations containing a coherent light source, first and second single-mode optical fibers, first and second reflectors formed respectively at the ends of the first and second optical fibers, an optical coupler and a photodetector, optically coupled to a Michelson interferometer, the first single-mode the optical fiber of which is subject, and the second supporting its shoulders, as well as a phase-shifting device installed in the second an optical modemodel, an amplifier, a recorder, and a feedback unit made in the form of an integrator, a comparator, and a reference signal source, while the output of the photodetector through an amplifier is connected in parallel to the registrar and integrator, the integrator output is connected to the first input of the comparator, the second input of which is connected to the source reference signal.

Недостатком прототипа является недостаточно высокая чувствительность гомодинного преобразователя. The disadvantage of the prototype is not sufficiently high sensitivity homodyne Converter.

Техническим результатом, который может быть получен при осуществлении изобретения, является повышение чувствительности преобразователя. The technical result that can be obtained by carrying out the invention is to increase the sensitivity of the converter.

Технический результат достигается тем, что в волоконно-оптическом преобразователе упругих колебаний источник когерентного света выполнен двухволновым, а на его выходе установлен оптический переключатель с блоком управления, при этом внутри первого одномодового оптического волокна сформирован полупрозрачный светоотражатель на две длины волны, первый светоотражатель выполнен на две, а второй на одну волны, причем выход усилителя через блок обратной связи дополнительно соединен с управляющим входом блока управления, выход которого подключен к двухволновому оптическому переключателю. The technical result is achieved by the fact that in the fiber-optic converter of elastic vibrations the coherent light source is made two-wave, and an optical switch with a control unit is installed at its output, while a translucent light reflector of two wavelengths is formed inside the first single-mode optical fiber, the first light reflector is made of two , and the second one in one wave, and the output of the amplifier through the feedback unit is additionally connected to the control input of the control unit, the output of which The key to the two-wave optical switch.

Кроме того, в первое одномодовое волокно может быть введено дополнительное фазосдвигающее устройство. In addition, an additional phase-shifting device may be introduced into the first single-mode fiber.

Регистратор может быть дополнительно соединен с выходом блока управления. The recorder can be additionally connected to the output of the control unit.

На фиг. 1 представлена общая схема преобразователя; на фиг. 2 схема соединений электронных блоков в преобразователе; на фиг. 3 временные диаграммы, поясняющие принцип работы преобразователя. In FIG. 1 shows a general diagram of a converter; in FIG. 2 connection diagram of electronic units in the converter; in FIG. 3 timing diagrams explaining the principle of operation of the converter.

Волоконно-оптический преобразователь содержит (фиг. 1) источник 1 когерентного света, выполненный двухволновым на длины волн λ₁ и λ₂, на выходе которого установлен двухволновый переключатель 2, управляемый блоком 3 управления. Кроме того, имеется два одномодовых оптических волокна 4 и 5. На входе волокна 4 установлено оптическое вводное устройство 6, на входе волокна 5 оптическое выводное устройство 7.The fiber-optic converter contains (Fig. 1) a coherent light source 1 made by a two-wavelength wavelength λ ₁ and λ ₂ , the output of which has a two-wave switch 2 controlled by the control unit 3. In addition, there are two single-mode optical fibers 4 and 5. An optical input device 6 is installed at the input of the fiber 4, and an optical output device 7 is installed at the input of the fiber 5.

Часть волокна 4 свернута в предметную волоконную катушку 8, а часть волокна 5 свернута в опорную волоконную катушку 9. Имеются также оптический ответвитель 10, полупрозрачный светоотражатель 11 на длины волн λ₁ и λ₂ и светоотражатели 12 и 13, выполненные соответственно на две длины волны λ₁ и λ₂ и на одну длину волны λ₁.Part of the fiber 4 is folded into a subject fiber coil 8, and part of the fiber 5 is rolled into a support fiber coil 9. There is also an optical coupler 10, a translucent reflector 11 for wavelengths λ ₁ and λ ₂ and retro-reflectors 12 and 13, respectively, made for two wavelengths λ ₁ and λ ₂ and at one wavelength λ ₁ .

Оптические элементы 4, 6, 7, 8, 10, 11 и 12 оптически связаны в многолучевой интерферометр Фабри-Перо, работающий на длине волны λ₂. Оптические элементы 4, 6, 7, 8, 9, 10, 12 и 13 оптически связаны в двухлучевой интерферометр Майкельсона, работающий на длине волны λ₁.Optical elements 4, 6, 7, 8, 10, 11, and 12 are optically coupled to a Fabry-Perot multipath interferometer operating at a wavelength of λ ₂ . The optical elements 4, 6, 7, 8, 9, 10, 12, and 13 are optically coupled to a double-beam Michelson interferometer operating at a wavelength of λ ₁ .

Кроме того, имеется общий фотоприемник 14, подключенный выходом через усилитель 15 к регистратору 16, На вход регистратора 16 может подаваться сигнал в виде масштабного множителя с блока 3 управления. In addition, there is a common photodetector 14, connected via an output through an amplifier 15 to the recorder 16. A signal in the form of a scale factor from the control unit 3 can be supplied to the input of the recorder 16.

В состав интерферометров могут также входить фазосдвигающие устройства 17 и 18. Interferometers may also include phase shifting devices 17 and 18.

Преобразователь также содержит блок 19 обратной связи (фиг. 2), выполненный в виде интегратора 20, компаратора 21, и источника 22 опорного сигнала. Блок 19 обратной связи устанавливается между блоком 3 управления и усилителем 15. The converter also contains a feedback block 19 (Fig. 2), made in the form of an integrator 20, a comparator 21, and a reference signal source 22. The feedback unit 19 is installed between the control unit 3 and the amplifier 15.

В качестве двухволнового оптического переключателя 2 можно использовать простейшее механическое устройство с двумя светофильтрами. As a two-wave optical switch 2, you can use the simplest mechanical device with two filters.

Переключатель 2 можно выполнить в виде электро-оптического модулятора, работающего на любом известном принципе. Функции переключателя 2 заключаются в том, чтобы по команде он пропускал нужную длину волны λ₁ и λ₂.Switch 2 can be made in the form of an electro-optical modulator operating on any known principle. The functions of switch 2 are to let the command pass the desired wavelength λ ₁ and λ ₂ .

В качестве блока 3 управления в этом случае можно использовать любой управляемый генератор командных импульсов. In this case, any controlled command pulse generator can be used as the control unit 3.

Преобразователь представляет собой по существу два спаренных волоконно-оптических гомодинных интерферометра, работающих на различных длинах волн. Причем датчиком является волоконная катушка 8. В зависимости от уровня входного сигнала работает интерферометр Майкельсона на длине волны λ₁ или интерферометр Фабри-Перо на длине волны λ₂. Если уровень входного сигнала известен заранее, выбор длины волны λ₁ или λ₂ осуществляют вручную. Если уровень входного сигнала неизвестен, то возможно автоматическое переключение рабочих длин волн и интерферометров.The transducer is essentially two paired fiber optic homodyne interferometers operating at different wavelengths. Moreover, the sensor is a fiber coil 8. Depending on the level of the input signal, a Michelson interferometer at a wavelength of λ ₁ or a Fabry-Perot interferometer at a wavelength of λ ₂ works. If the input signal level is known in advance, the choice of wavelength λ ₁ or λ _{2 is} carried out manually. If the input signal level is unknown, it is possible to automatically switch the operating wavelengths and interferometers.

Преобразователь работает следующим образом. The converter operates as follows.

Предварительно с помощью фазосдвигающих устройств 17 и 18 рабочую точку А на выходных кривых 23 и 24 (фиг. 3) интерферометров Майкельсона и Фабри-Перо совмещают и устанавливают в области максимальной кривизны и линейности выходных кривых. Затем на волоконную катушку направляют входной сигнал 25 (фиг. 1), который вызывает деформацию волокна катушки и сдвиг фаз световой волны в ней по сравнению со световой волной в опорной катушке 9 (допустим, что работает сначала интерферометр Майкельсона на длине волны λ₁.Previously, using phase shifting devices 17 and 18, the operating point A on the output curves 23 and 24 (Fig. 3) of the Michelson and Fabry-Perot interferometers is combined and set in the region of maximum curvature and linearity of the output curves. Then, an input signal 25 is sent to the fiber coil (Fig. 1), which causes the fiber of the coil to deform and the phase shift of the light wave in it compared to the light wave in the support coil 9 (suppose that the Michelson interferometer first works at a wavelength of λ ₁ .

На временной диаграмме входной сигнал изображен под позицией 26 (фиг. 3). На длине волны λ₂ выходной сигнал на выходе фотоприемника 14 изображен под позицией 27, на длине волны λ₁ под позицией 28.In the timing chart, the input signal is shown at 26 (FIG. 3). At a wavelength of λ _{2, the} output signal at the output of the photodetector 14 is shown at 27, at a wavelength of λ ₁ at 28.

Выходной сигнал с фотоприемника 14 усиливается усилителем 15 (фиг. 1 и 2) и затем подается на регистратор 16, на который одновременно подается сигнал с блока 3 управления для указания масштаба сигнала (различный на различных длинах волн). Одновременно сигнал с усилителя 15 подается на интегратор 20, после которого сравнивается с уровнем опорного сигнала источника 22 в компараторе 21. Если проинтегрированный выходной сигнал с двухлучевого интерферометра будет меньше уровня опорного сигнала источника 22, то на блок 3 управления с компаратора 21 поступает командный сигнал на переключение переключателем 2 режима работы преобразователя на длину волны λ₂. При этом включается в работу более чувствительный интерферометр Фабри-Перо и выключается двухлучевой интерферометр. Одновременно на регистратор 16 подается сигнал об изменении масштаба выходного сигнала.The output signal from the photodetector 14 is amplified by an amplifier 15 (Figs. 1 and 2) and then fed to a recorder 16, to which a signal from a control unit 3 is simultaneously supplied to indicate the signal scale (different at different wavelengths). At the same time, the signal from the amplifier 15 is supplied to the integrator 20, after which it is compared with the level of the reference signal of the source 22 in the comparator 21. If the integrated output signal from the two-beam interferometer is less than the level of the reference signal of the source 22, then a command signal is sent to the control unit 3 from the comparator 21 switching by the switch 2 of the converter operation mode to the wavelength λ ₂ . In this case, the more sensitive Fabry-Perot interferometer is turned on and the two-beam interferometer is turned off. At the same time, a signal about a change in the scale of the output signal is supplied to the recorder 16.

Обратное переключение на длину волны λ₁ произойдет аналогичным путем в случае, если проинтегрированный выходной сигнал преобразователя превысит уровень опорного сигнала. В этом случае в работу вновь включается интерферометр Майкельсона, имеющий более широкий линейный диапазон гомодинного преобразования по сравнению с многолучевым интерферометром Фабри-Перо.The reverse switching to the wavelength λ ₁ will occur in a similar way if the integrated output signal of the converter exceeds the level of the reference signal. In this case, the Michelson interferometer, which has a wider linear range of the homodyne conversion as compared to the Fabry-Perot multipath interferometer, is again included in the work.

Таким образом, представленный преобразователь упругих колебаний наряду с широким динамическим диапазоном гомодинного преобразователя, присущей двухлучевому интерферометру Майкельсона, обладает повышенной чувствительностью многолучевого интерферометра Фабри-Перо. Thus, the presented transducer of elastic vibrations, along with the wide dynamic range of the homodyne transducer inherent in a two-beam Michelson interferometer, has an increased sensitivity of a multi-beam Fabry-Perot interferometer.

Claims

1. Волоконно-оптический преобразователь упругих колебаний, содержащий источник когерентного света, первое и второе одномодовые оптические волокна, первый и второй светоотражатели, сформированные соответственно на торцах первого и второго оптических волокон, оптический ответвитель и фотоприемник, оптически связанные в интерферометр Майкельсона, первое одномодовое оптическое волокно которого является предметным, а второе опорным его плечами, а также фазосдвигающее устройство, установленное во втором одномодовым оптическом волокне, усилитель, регистратор и блок обратной связи, выполненный в виде интегратора, компаратора и источника опорного сигнала, при этом выход фотоприемника через усилитель подключен параллельно к регистратору и интегратору, выход интегратора соединен с первым входом компаратора, второй вход которого подключен к источнику опорного сигнала, отличающийся тем, что источник когерентного света выполнен двухволновым, а на его выходе установлен двухволновый оптический переключатель с блоком управления, при этом внутри первого одномодового оптического волокна сформирован полупрозрачный светоотражатель на две длины волны, первый отражатель выполнен на две, а второй на одну длину волны, причем выход усилителя через блок обратной связи дополнительно соединен с управляющим входом блока управления, выход которого подключен к двухволновому оптическому переключателю. 1. A fiber-optic converter of elastic vibrations containing a coherent light source, first and second single-mode optical fibers, first and second reflectors formed respectively at the ends of the first and second optical fibers, an optical coupler and a photodetector, optically coupled to a Michelson interferometer, a first single-mode optical the fiber of which is subject, and the second supporting its shoulders, as well as the phase-shifting device installed in the second single-mode optical fiber, an amplifier, a recorder and a feedback unit made in the form of an integrator, a comparator and a reference signal source, while the output of the photodetector through an amplifier is connected in parallel to the registrar and integrator, the integrator output is connected to the first input of the comparator, the second input of which is connected to the reference signal source, which differs the fact that the coherent light source is made of two-wave, and at its output there is a two-wave optical switch with a control unit, while inside the first single-mode optical fibers formed of a translucent reflector at two wavelengths, the first reflector is formed into two, and the second one wavelength, the output of the amplifier through the feedback unit is further coupled to a control input of control unit, the output of which is connected to a dual wavelength optical switch.

2. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что в первое одномодовое оптическое волокно введено дополнительное фазосдвигающее устройство. 2. The Converter according to claim 1, characterized in that an additional phase-shifting device is introduced into the first single-mode optical fiber.

3. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что регистратор дополнительно соединен с выходом блока управления. 3. The Converter according to claim 1, characterized in that the recorder is additionally connected to the output of the control unit.