РАЗРАБОТКА ОПТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ ВИБРАЦИИ С ИПОЛЬЗОВАНИЕМ ОПТОВОЛОКОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
Автор: Карен Араратович Сафарян
Соавторы: Голдобин Арсений Алексеевич, Трефилов Игорь Александрович, Мельников Роман Михайлович
Организация: Пермский государственный национальный исследовательский университет
Рисунок 1. а) Конфигурации оптического кристалла б) Оптический датчик вибраций с зеркалом
В работе исследуются перспективы создания оптического датчика вибрации с использованием оптоволоконных технологий. Разрабатываемое устройство рассчитано на диапазон измеряемых частот от 10 до 103 Гц и амплитуд от 1g до 10g. В качестве основы для датчика предлагается использовать интерферометр Маха-Цендера [1, 2]. Задержка по фазе в таком датчике может быть обеспечена оптическим кристаллом, размещенным в одном из оптических каналов системы. Первоочередной задачей ставился подбор оптимальной конфигурации и свойств оптического кристалла, которые смогли бы обеспечить стабильную и эффективную работу датчика [3]. Для этого проводилось численное моделирование прохождения оптического сигнала через кристаллы с разными формами неоднородности (Рисунок 1 а).
В результате математического моделирования оптических процессов продемонстрирована возможность использования оптоволоконного интерферометра с оптическим кристаллом для измерения частоты и интенсивности вибраций. Показано, что перемещение кристалла способно изменить интегральную интенсивность проходящего света, которую можно интерпретировать в терминах перемещений и ускорений. Проведены оценки чувствительности датчика и проведены численные расчеты полей интенсивности и фазы. В результате перебора пяти конфигураций выбрана оптимальная.
В ходе выполнения работы был выявлен ряд недостатков, связанных с трудностью изготовления оптических кристаллов. В ходе изготовления опытных образцов возникли технологические трудности, приводящие к широкому разбросу характеристик изделия и низкой повторяемостью результатов. Поэтому для дальнейших разработок решено упростить оптическую систему, используя зеркало, закрепленное в корпусе датчика на пути оптического сигнала и меняющее получаемое на выходе значение интенсивности света (Рисунок 1 б).
По результатам численного исследования собран рабочий прототип такого датчика вибраций, который прошел валидацию на экспериментальном вибрационном стенде. Получено хорошее совпадение экспериментальных и предсказанных значений амплитуды и частоты вибраций.
1. Rajan G. et al. Analysis of vibration measurements in a composite material using an embedded PM-PCF polarimetric sensor and an FBG sensor //IEEE sensors journal. – 2011. – Т. 12. – №. 5. – С. 1365-1371.
2. Sun Q. et al. Distributed fiber-optic vibration sensor using a ring Mach-Zehnder interferometer // Optics Communications .– 2008. – Т. 281. – №. 6. – С. 1538-1544.
3. Wu S. et al. Flexible optical fiber Fabry–Perot interferometer based acoustic and mechanical vibration sensor //Journal of Lightwave Technology. – 2018. – Т. 36. – №. 11. – С. 2216-2221.