Рисунок 2.8-Выходное электрическое напряжение датчика давления на основе эффекта фотоупругости с двойным выходом

Также был продемонстрирован простой одноосевой волоконно-оптический акселерометр, основанный на эффекте фотоупругости. Масса в 16 г, прикрепленная к грани х

фотоупругого элемента, позволяет преобразовывать силы, обусловленные ускорением, в напряжение материала. Было протестировано два различных типа чувствительного фотоупругого материала: пирекс и полиуретан. Размеры стеклянного элемента составляли 0,6 х

0,6 х

1,2 см и оптическая длина пути 0,6 см. Полиуретановый элемент имел размеры 1,0 х

0,6 х

1,5 см при оптической длине пути, также равной 0,6 см. Прибор оценивался двумя способами. Во-первых, определялся отклик чувствительного элемента на статическую нагрузку. Это обеспечило прямое измерение коэффициента оптической чувствительности материала на рабочей длине волны лазерного диода с волоконными выводами RCA С86007, равной 820 нм. Для элементов из стекла и полиуретана, соответственно, эти коэффициенты составили: fa (стекла) = 0,13 МПа/полоса/м и fa (полиуретана) = 104 Па/полоса/м. При втором измерении одновременно волоконно-оптический акселерометр и эталонный акселерометр Bruel & Kjaer, типа 4371, были жестко закреплены на вибрационном столе Cleveland, модель VP-7-2, и подвергнуты вертикальному ускорению с частотой 100 Гц. Измерения выходных сигналов, проведенные спектроанализатором Tektronix 7LS, позволили определить динамические отношения сигнал/шум. Экспериментально определенные минимально обнаружимые пиковые ускорения для стеклянного и полиуретанового элементов составили 1,5 х 10-3 и 8,5 х 10-5 см/с2 соответственно. Теоретические минимально обнаружимые ускорения составляли 6,5 х 10-4 и 1,7 х 10-5 см/с2 для тех же элементов, что указывает на то, что по крайней мере при частоте 100 Гц существует приемлемое соответствие между теорией и реальными характеристиками. Источником расхождений, вероятно, стал амплитудный шум от лазерного диода, являющегося источником излучения. Демонстрация волоконно-оптического акселерометра показала, что подобный прибор можно реализовать сравнительно недорого и напрямую. Однако его принципиальное преимущество проявляется в ситуациях когда присутствуют только линейные ускорения. В более сложных ситуациях, силы сдвига, действующие на фотоупругий элемент при ускорении прикрепленной массы, могут сделать значение зарегистрированного сигнала неопределенным.

Наибольшее развитие волоконно-оптические датчики, на основе эффекта фотоупругости получили в приложениях, связанных с акустическими измерениями. Измерительная конфигурация первого образца датчика такого типа, была аналогичной приведенной на рисунке 2.1 и имела два волоконных выхода. Свет от гелий-неонового лазера мощностью 2 мВт фирмы Hughes вводился в волокно со ступенчатым профилем показателя преломления и диаметром сердцевины 100 мкм и передавался преобразователю. Затем он коллимировался с помощью стержневой градиентной линзы, приобретал круговую поляризацию и проходил через фотоупругий чувствительный элемент. Компоненты (1 + sin) и (1 — sin) выходного сигнала затем разделялись поляризующим светоделителем и вводились в различные выходные волокна для передачи в область обработки сигнала, где они регистрировались двумя фотодиодами RCA С30808. Фотоупругий элемент, имеющий двутавровый профиль, был изготовлен из Thiokol Solithane Urethane 113 и его площадь поперечного сечения вверху и внизу составляла 0,6 х

0,6 см, а площадь поперечного сечения в области, пересекаемой оптическим лучом, равнялась 0,6 х

0,2 см.

Экспериментально определенная оптическая постоянная по напряжениям равнялась fa

=

210 Па/полоса/м. Корпус акустического датчика представлял собой полый алюминиевый цилиндр высотой 8 см с внутренним диаметром 8,5 см и внешним диаметром 5,0 см. Активный фотоупругий элемент был выровнен между входной и выходной оптикой и за тем присоединен к двум тонким резиновым мембранам, закрепленным сверху и снизу корпуса с помощью алюминиевых удерживающих колец. Преобразователь был заполнен воздухом. При отсутствии приложенного давления оптическая мощность, попадающая на два фотодетектора, составляла 41 и 17 мкВт соответственно. Для компенсации этой разницы оптических мощностей было подстроено усиление по напряжению двух фотодетекторов, путем использования на первом детекторе нагрузки 100 кОм и на втором — нагрузки 200 кОм. Эти два приблизительно равных выходных напряжения затем вычитались и усиливались в 10 раз с помощью дифференциального усилителя PAR модели 113. После этого выходной сигнал усилителя анализировался спектроанализатором Tektronix 7LS. Прибор был протестирован на калибраторе гидрофонов NRL G19 путем наблюдения за отношением сигнал/шум в приборе, подвергавшемся воздействию акустических волн известной интенсивности и частоты. Фактические акустические интенсивности проверялись при помощи калиброванного электрического гидрофона CH-17UT. Измерения показали, что динамический диапазон прибора превышает 120 дБ (где напряжение пропорционально давлению и дБ = 20 logV).