Использование эффекта фотоупругости для определения распределения напряжения имеет давнюю историю и является основой успешных коммерческих предприятий в настоящее время (Measurements Group Inc., Роли, Северная Каролина). Первое предложение использовать фотоупругость в качестве механизма преобразования волоконно-оптического датчика относится к 1980 году; решение о выдаче патента на концепцию было принято в 1983-м . Этот датчик, датчик давления, имел один волоконный вход и два волоконных выхода (рисунок 2.1). Согласно концепции этого датчика свет Io

oт

источника (101), расположенного в области обработки сигнала, вводился в многомодовое оптическое волокно (121). Выходящий из волокна свет в области измерений коллимировался, приобретал круговую поляризацию и проходил через чувствительный к давлению фото упругий элемент (204), сконфигурированный для восприятия линейного напряжения вдоль оси, повернутой на π

/4 к оси поляризации проходящего через элемент светового луча. Затем этот свет пропускался через та кое устройство, как поляризующий светоделитель (205), который вводит компоненты оптического луча, поляризованные под углами π

/4 и - π/4, в отдельные выходные оптические волокна (111 и 113). Свет по этим двум волокнам поступает в область обработки сигнала, регистрируется двумя фотодетекторами (112 и 114) и затем обрабатывается с целью получения информации о давлении. Оптическая мощность (при отсутствии оптических потерь), регистрируемая двумя фотодетекторами, может быть вы числена путем анализа оптической системы, представленной на рисунке 2.1, при помощи формализма Мюллера. Эти мощности равны

, (2.1)

Здесь предполагается, что давление Р, воспринятое датчиком, механически преобразовано в эквивалентное линейное напряжение в области, пересекаемой световым лучом. Использование отношения разности к сумме позволяет снизить или устранить ошибки в системе, обусловленные создаваемыми источником излучения флуктуациями оптической мощности I0. Выходное напряжение обрабатывающей схемы определяется выражением

в пределах для малых Р. (2.2)

Можно видеть, что величина I0 в уравнение не входит, и в пределе при малых давлениях линейная взаимосвязь между выходным напряжением и приложенным давлением существует независимо от флуктуации оптической энергии, подаваемой на чувствительный элемент.

Рисунок 2.1-Волоконно-оптический датчик давления на основе эффекта фотоупругости

Одна из первых практических демонстраций датчика давления на основе фотоупругости состоялась в 1982 году. В этом датчике в качестве чувствительного элемента использовался блок натрий-кальциево-силикатного стекла. Датчик имел только один выходной канал. Принципиальная схема этого датчика приведена на рисунке 2.2. В этом конкретном датчике в качестве оптического источника применяется лазерный диод с волоконными выводами, кварцевое оптическое волокно с пластмассовой оболочкой и диаметром сердцевины 200 мкм, и стержневые градиентные линзы (GRIN).

Активный фотоупругий элемент представлял собой призму размером 0,6 х 0,6 х 1,2 см из пирекса (fa = 0,26 МПа/полосу/м). Давление на него передавалось Be-Cu-мембраной, как показано на рисунке 2.2. Были про ведены только лабораторные испытания этого прибора. Результаты тестирования приведены на рисунке 2.3. По экспериментальной кривой, представленной на рисунке 2.3, а, экспериментально

Рисунок 2.2-Многомодовый волоконно-оптический датчик давления на основе эффекта фотоупругости

Было определено минимальное обнаружимое давление. Эти данные количественно определяют относительное изменение оптической интенсивности, воспринимаемое, когда чувствительный элемент давления заполнен водой, эквивалентное изменению давления на мембрану величиной 0,9 кПа. Разделив ширину выхода в устойчивом состоянии (т.е. 0,2 ед.) на изменение сигнала для данной разности давлений, можно определить минимальное обнаружимое давление как Pmin = 95 Па. Это в 67 раз больше, чем минимальное обнаружимое давление (1,4 Па). Различие объяснялось сочетанием шума от лазерного источника и недостаточной передачи давления от мембраны к активному элементу. На рисунке 2.3, б приведена зависимость выходного сигнала прибора от приложенного гидростатического давления. Кривая демонстрирует диапазон линейности от 0 до 0,5 МПа и диапазон измерений, превышающий 8 МПа. Измеренный динамический диапазон составил 86 дБ, в то время, как вычисленный динамический диапазон превышал 120 дБ [дБ определяется здесь как 201og(Pmax/Pmin)]. В качестве верхнего предела гистерезиса этого датчика было установлено примерно ±1% от полной шкалы.